(57)【要約】イオン照射系をコンパクトにして、イオン光学長を短くして、かつエミッタティップ（２１）からのイオンの放出方向を精度よく試料の方向に調整する機構を実現する。ガス電界電離イオン源（１）、該イオン源から放出されたイオンを加速・集束する集束レンズ（５）、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動な第１アパーチャ（６）、該第１アパーチャを通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器（３５）、該第１アパーチャを通過したイオンビームを偏向する第２偏向器（７）、該第１アパーチャを通過したイオンビームを制限する第２アパーチャ（３６）、該第１アパーチャを通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ（８）、および該第２アパーチャを通過した該イオンビーム電流に略比例した信号量を計測する手段から構成される荷電粒子線顕微鏡とする。
2011055521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、
該真空容器内に配置されたエミッタティップと、
該エミッタティップによって生成されたイオンが通過する開口部を有する引き出し電極と、
前記エミッタティップと前記引き出し電極を有するイオン源と、
該イオン源から放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、
該集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する第１偏向器とを有する荷電粒子顕微鏡において、
前記集束レンズと前記第１偏向器との間に前記集束レンズを通過した前記イオンビームを制限する第１アパーチャを有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記第１アパーチャは前記イオンビームに対して略垂直面内で可動であることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記第１アパーチャを通過した前記イオンビームを偏向する第２偏向器と、
前記第１アパーチャを通過した前記イオンビームを制限する第２アパーチャと、
前記第１アパーチャを通過した前記イオンビームを試料上に集束する対物レンズと、
前記第２アパーチャを通過した前記イオンビームのイオンビーム電流に略比例した信号量を計測する信号量計測手段と、
を更に有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。 
【請求項４】
請求項３に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記第２アパーチャが前記対物レンズを通過する前記イオンビームを制限することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項５】
請求項３に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記信号量計測手段が、前記イオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を検出する荷電粒子検出器であることを特徴とした荷電粒子顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の荷電粒子顕微鏡において、
調整用の試料が載置されていることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項７】
請求項３に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記信号量計測手段が、前記イオンビーム電流を計測する電流計、試料に接続された電流計、前記イオンビーム電流をチャンネルトロンで増幅して計測する手段、マルチチャンネルプレートで増幅して計測する手段、
の少なくとも１つを有することを特徴とした荷電粒子顕微鏡。
【請求項８】
請求項３に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記第２アパーチャが前記対物レンズを構成する電極と兼用していることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項９】
請求項１から６の走査荷電粒子顕微鏡において、
前記エミッタティップの先端をナノピラミッドとしたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項９に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記ナノピラミッドのイオン放射パターンを表示する表示手段を有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項１１】
真空容器と、
該真空容器内に配置されたエミッタティップと、
該エミッタティップによって生成されたイオンが通過する開口部を有する引き出し電極と、
前記エミッタティップと前記引き出し電極を有するイオン源と、
該イオン源から放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、
を有する荷電粒子顕微鏡において、
前記イオンビームの照射軸に対する傾斜角度を調整可能な傾斜角度調整手段を有し、
前記傾斜角度の違いによるイオン放射パターンを表示する表示手段を備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。 
【請求項１２】
請求項１１に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記傾斜角度調整手段を構成する駆動機構が前記イオン源内に配置されており、前記エミッタティップを有するイオンエミッタの先端位置を略一定に維持したまま傾斜可能であることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記傾斜角度調整手段を駆動する駆動機構は圧電素子を用いていることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項１４】
真空容器と、
該真空容器内に配置されたエミッタと、
該エミッタによって生成されたイオンが通過する開口部を有する引き出し電極と、
前記エミッタと前記引き出し電極を有するイオン源と、
該イオン源から放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、
該集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する第１偏向器とを有する荷電粒子顕微鏡において、
前記エミッタ又は前記エミッタに接続されたフィラメントから発生する光を前記開口部から検出する光検出手段を備えることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１４に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記エミッタと前記引き出し電極との相対位置を変更する変更手段を備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１４に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記光検出手段により検出された信号に基づいて、前記フィラメントに印可する電圧、電流、抵抗、温度のうち少なくとも１つを制御する制御手段を有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１４に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記光検出手段が、前記エミッタ又は前記エミッタに接続されたフィラメントを前記開口部を通して前記真空容器外で観察可能とする手段を備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１４に記載の荷電粒子顕微鏡において、
試料を載置する試料ステージが前記イオンビームに対して略垂直平面内での移動機能を有し、
前記試料ステージに前記エミッタ又は前記エミッタに接続されたフィラメントを前記開口部を通して前記真空容器外で観察可能とする手段を備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項１９】
請求項１４に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記集束レンズと前記対物レンズの間に、前記エミッタ又は前記エミッタに接続されたフィラメントを前記開口部を通して前記真空容器外で観察可能とする手段を備えることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項２０】
請求項１４に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記集束レンズと前記第１偏向器との間に第１アパーチャを有し、
前記光検出手段の少なくとも一部を前記第１アパーチャに備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子を走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出すれば、試料表面の構造を観察することができる。これは走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ以下、ＳＥＭと略記）と呼ばれる。一方、イオンビームを走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出しても、試料表面の構造を観察することができる。これは走査イオン顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ以下、ＳＩＭと略記）と呼ばれる。特に、水素、ヘリウム、などの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、相対的にスパッタ作用は小さくなり試料を観察するのに好適となる。【０００３】
さらに、イオンビームは、電子ビームに比べて試料表面の情報に敏感である特徴を有する。これは、二次荷電粒子の励起領域が電子ビームの照射に比べて、試料表面により局在するからである。また、電子ビームでは、電子の波としての性質が無視できないため、回折効果により収差が発生する。一方、イオンビームでは、電子に比べて重いため、回折効果を無視することができる。【０００４】
また、イオンビームを試料に照射して、試料を透過したイオンを検出すれば、試料内部の構造を反映した情報を得ることもできる。これは透過イオン顕微鏡と呼ばれる。特に、水素、ヘリウム、などの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、試料を透過する割合が大きくなり観察するのに好適となる。【０００５】
逆に酸素、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノン、あるいはガリウム、インジウムなどの質量の重いイオン種を試料に照射すれば、スパッタ作用により試料を加工するのに好適となる。特に、液体金属イオン源（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ、以下ＬＭＩＳ）を用いた集束イオンビーム装置（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ、以下ＦＩＢ）がイオンビーム加工装置として知られている。更に、近年では走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と集束イオンビーム（ＦＩＢ）の複合機ＦＩＢ−ＳＥＭ装置も用いられる。ＦＩＢ−ＳＥＭ装置では、ＦＩＢを照射して所望の箇所に角穴を形成することにより、その断面をＳＥＭ観察することができる。また、プラズマイオン源やガス電界電離イオン源により、酸素、窒素、アルゴン、クリプトン、およびキセノンなどのガスイオンを生成して試料に照射するようにしても試料の加工は可能である。【０００６】
ところで、試料観察を主な目的とするイオン顕微鏡では、イオン源として、ガス電界電離イオン源が好適である。ガス電界電離イオン源は先端曲率半径を１００ｎｍ程度にした金属エミッタティップに水素あるいはヘリウムなどのガスを供給し、エミッタティップに数ｋＶ以上の高電圧を印加することにより、ガス分子を電界電離し、これをイオンビームとして引き出すものである。本イオン源の特徴は、エネルギ幅が狭いイオンビームを生成することができ、また、イオン発生源のサイズが小さいため、微細なイオンビームを生成することができることにある。【０００７】
イオン顕微鏡では、高信号／ノイズ比で試料を観察するためには、試料上で大きな電流密度のイオンビームを得る必要がある。そのためには、電界電離イオン源のイオン放射角電流密度を大きくする必要がある。イオン放射角電流密度を大きくするためには、エミッタティップ近傍のイオン材料ガス（イオン化ガス）の分子密度を大きくすればよい。単位圧力当たりのガス分子密度は、ガスの温度に逆比例する。そのため、エミッタティップを極低温に冷却し、エミッタティップ周辺のガスの温度を低温化すればよい。それによって、エミッタティップ近傍のイオン化ガスの分子密度が大きくすることができる。エミッタティップ周辺のイオン化ガスの圧力を、例えば、１０−２〜１０Ｐａ程度にすることができる。【０００８】
しかしながら、イオン材料ガスの圧力を〜１Ｐａ以上にすると、イオンビームが中性ガスと衝突して中性化し、イオン電流が低下する。また、電界電離イオン源内のガス分子の個数が多くなると、高温の真空容器壁に衝突して高温化したガス分子が、エミッタティップに衝突する頻度が高くなる。そのため、エミッタティップの温度が上昇してイオン電流が低下する。そのために、電界電離イオン源では、エミッタティップ周辺を機械的に囲うガスイオン化室が設けられる。ガスイオン化室は、エミッタティップに対向して設けられたイオン引き出し電極を利用して形成される。【０００９】
特許文献１には、エミッタティップの先端に微小な突出部を形成することによって、イオン源特性が向上することが開示されている。非特許文献１には、エミッタティップ先端の微小な突出部を、エミッタティップ材料とは異なる第２金属を用いて作製することが開示されている。非特許文献２には、ヘリウムをイオン放出するガス電界電離イオン源を搭載した走査イオン顕微鏡が開示されている。【００１０】
特許文献２には、ガスをイオン化する電界をエミッタの先端近傍に形成する引き出し電極と、エミッタを冷却する冷却手段と、を含むガス電界電離イオン源と、ガス電界電離イオン源から引き出したイオンを集束するレンズ系と、イオンビームを走査するビーム偏向器と、二次粒子を検出する二次粒子検出器と、走査イオン顕微鏡像を表す画像表示手段と、を含む走査荷電粒子顕微鏡が開示されている。また、上段ビーム偏向器／アライナーの偏向作用によりビームを可動ビーム制限絞り上で走査し、この走査信号と同期した信号をＸＹ信号、二次電子検出強度をＺ（輝度）信号として走査イオン顕微鏡画像を作り、画像表示手段にモニタ表示することが開示されている。さらに、このモニタ画面の走査イオン顕微鏡画像は、可動ビーム制限絞りの絞り孔に相当するイオン放射立体角で電界イオン顕微鏡像を畳み込みしてぼかした相当画像が得られること開示されている。【００１１】
特許文献３には、ガス電界電離イオン源を搭載した荷電粒子顕微鏡において、ガス電界電離イオン源のガス分子イオン化室内のフィラメントマウントに取り付けられたエミッタティップから放出されたイオンビームを走査しながら、走査偏向電極したに配置した可動のシャッタで発生する二次粒子を二次粒子検出器で検出して二次粒子像を得るとエミッタティップのイオン放射パターンが観察できること、また、イオン放射パターンを観察しながら、エミッタティップ位置および角度を調整することが開示されている。【００１２】
特許文献４には、荷電粒子線装置において、電子源の主な排気手段をイオンポンプでは無く非蒸発ゲッタにすることにより装置を小型化することが開示されている。 また、特許文献５には、荷電粒子線装置において、カソードからの電子エミッション電流を測定しながら、２つのマイクロメータを回してカソードの位置を変化させ、エミッション電流が最高値を示した位置をカソードの調整位置とすること、また、電子ビームを放出した状態で、カソードらの電子ビームの放出像を２次電子の放出像を介して観察しながら、２つのマイクロメータを回し、カソードからの電子放出パターンを得る手法が開示されている。【００１３】
特許文献６には、ＦＩＢにより試料の異常箇所近傍に角穴を形成し、当該角穴の断面をＳＥＭ装置で観察することにより、欠陥や異物などを観察及び解析する装置が提案されている。【００１４】
特許文献７には、ＦＩＢ、及び、プローブを用いて、バルク試料から透過電子顕微鏡観察用の微小試料を摘出する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開昭５８−８５２４２号
【特許文献２】特開２００８−１４０５５７
【特許文献３】特開２００９−１６３９８１
【特許文献４】特開２００７−３１１１１７
【特許文献５】特開平８−２３６０５２号
【特許文献６】国際公報ＷＯ９９／０５５０６号
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｈ．−Ｓ．  Ｋｕｏ、  Ｉ．−Ｓ．  Ｈｗａｎｇ、  Ｔ．−Ｙ．  Ｆｕ、  Ｊ．−Ｙ．  Ｗｕ、  Ｃ．−Ｃ．  Ｃｈａｎｇ、  ａｎｄ  Ｔ．  Ｔ．  Ｔｓｏｎｇ、  Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ４  （２００４）  ２３７９．
【非特許文献２】Ｊ．  Ｍｏｒｇａｎ、  Ｊ．  Ｎｏｔｔｅ、  Ｒ．  Ｈｉｌｌ、  ａｎｄ  Ｂ．  Ｗａｒｄ、  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  Ｔｏｄａｙ、  Ｊｕｌｙ  １４  （２００６）  ２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
金属エミッタ先端にナノピラミッド構造を持つガス電界電離イオン源では、次のような課題がある。本イオン源の特徴はナノピラミッドの先端の原子１個近傍から放出されたイオンを用いることである。すなわち、イオンが放出される領域が狭くイオン光源がナノメータ以下に小さい。このためイオン光源を同じ倍率で試料に集束するか、縮小率を２分の１程度に大きくすると、イオン源の特性を最大限に活かすことができる。従来のガリウム液体金属イオン源では、イオン光源の寸法は、約５０ｎｍと推定されている。従って、試料上で５ｎｍのビーム径を実現するためには、縮小率を１／１０以下にする必要がある。この場合、イオン源のエミッタティップの振動は、試料上では１０分の１以下に縮小される。例えば、エミッタティップが１０ｎｍ振動していても、試料上におけるビームスポットの振動は１ｎｍ以下となる。従って、５ｎｍのビーム径に対する、エミッタティップの振動の影響は軽微である。ところが、本例では、縮小率が小さく、１〜１／２程度である。従って、エミッタティップにおける１０ｎｍの振動は、縮小率が１／２の場合には試料上では５ｎｍの振動となり、ビーム径に対する試料の振動が大きい。すなわち、例えば０．２ｎｍの分解能を実現するためには、大きくともエミッタティップの振動を０．１ｎｍ以下にする必要がある。従来のイオン源はエミッタティップ先端の振動防止という観点では必ずしも十分でなかった。【００１８】
また、本願発明者は、エミッタティップの機械的傾斜調整手段が大型になることによりガス電界電離イオン源が大型化することでも、エミッタティップの振動振幅が増大する、すなわち像分解能を招くという問題を見出した。
また、本願発明者は、イオン照射系をコンパクトにして、イオン光学長を短くして、かつエミッタティップからのイオンの放出方向を精度よく試料の方向に調整する機構を実現するという課題を解決することが、本イオン源の性能を活かした荷電粒子線装置を実現することに繋がることを見出した。
また、同じくイオン照射系の軸調整という観点で、エミッタティップと引き出し電極の開口部との軸合わせ調整も、イオンビームを細束化する際の収差を低減して超微細ビームを実現するための課題である。
また、エミッタティップはその先端制御のために、高温処理する。このときの温度管理は電圧、電流および抵抗などで可能であるが、極低温冷却時には高精度の温度制御が困難であることを見出した。この高温処理の高精度温度制御の実現が、ガス電界電離イオン源の信頼性を向上することに繋がることを見出した。【００１９】
本発明の目的は、エミッタティップと試料と相対振動の振幅を小さくし、高分解能の試料観察を可能にする荷電粒子顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、真空容器と、該真空容器内に配置されたエミッタティップと、該エミッタティップによって生成されたイオンが通過する開口部を有する引き出し電極と、前記エミッタティップと前記引き出し電極を有するイオン源と、該イオン源から放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、該集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する第１偏向器とを有する荷電粒子顕微鏡において、前記集束レンズと前記第１偏向器との間に前記集束レンズを通過した前記イオンビームを制限する第１アパーチャを有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡である。【００２１】
この構成によると、集束レンズと第１偏向器との間に第１アパーチャがあることによってその間の距離を短くできる。集束レンズと第１アパーチャとの間に第１偏向器を置く場合に比べて高さ方向の距離を抑えることができるためである。また、ここで第１偏向器とは、後で詳述するが、エミッタティップからのイオン放射パターンを得るためにイオンビームを走査する偏向器である。また、第１とは、イオン源から試料方向に最初の偏向器という意味である。ただし、第１偏向器と集束レンズ間に、第１偏向器の光学軸方向の長さに比べて短い偏向器を備え、これをイオンビームの偏向軸調整に用いる荷電粒子線装置としても、本発明の範囲を逸脱するものではない。【００２２】
さらに、第１アパーチャは略垂直平面内での方向に可動であることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることによって、集束レンズを通過したイオンビームを制限することができる。これにより、第１アパーチャ開口部をイオンビーム光学軸と一致させることができ、イオンビームの歪が少なく極微細なビームを得られるという効果を奏する。さらに、アパーチャ開口部の大きさを可変にする、あるいは大きさの異なる開口部、例えば、直径の異なる複数の穴を用意しておき、開口部大きさを選択する、あるいはある直径の穴を選択してこれにイオンビームを通過させることにより、イオンビームのレンズに対する開き角を選択する。これにより、レンズ収差の大きさを制御することができるので、イオンビーム径およびイオンビーム電流を制御できるという効果を奏する。【００２３】
さらに前記第１アパーチャを通過した前記イオンビームを偏向する第２偏向器と、前記第１アパーチャを通過した前記イオンビームを制限する第２アパーチャと、前記第１アパーチャを通過した前記イオンビームを試料上に集束する対物レンズと、前記第２アパーチャを通過した前記イオンビームのイオンビーム電流に略比例した信号量を計測する信号量計測手段と、を更に有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡である。これにより、エミッタティップからのイオン放射パターンを得ることができ、エミッタの傾斜角度調整およびイオンビーム光軸へのアライメントが可能になる。また、イオンビーム光学系を短くすることができるため、エミッタと試料の相対振動の振幅が小さくなり、その結果、高分解能の試料観察を可能にする。【００２４】
さらに、前記第２アパーチャが前記対物レンズを通過する前記イオンビームを制限することを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることによって、イオンビームの放射パターンが取りやすいため、分解能をあげやすい。【００２５】
さらに、前記信号量計測手段が、前記イオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を検出する荷電粒子検出器であることを特徴とした荷電粒子顕微鏡とすることによって、信号量を検出することができる。特に、信号ノイズ比を高くして、エミッタティップからのイオン放射パターンを観察できる。【００２６】
さらに、イオンビーム調整用の試料が載置されていることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることによって、特に、エミッタティップからのイオン放射パターンを、むらのない状態で観察できる。また、観察対象となる試料を汚染、破損しないという効果を奏する。【００２７】
さらに、前記信号量計測手段が、前記イオンビーム電流を計測する電流計、試料に接続された電流計、前記イオンビーム電流をチャンネルトロンで増幅して計測する手段、マルチチャンネルプレートで増幅して計測する手段、の少なくとも１つを有することを特徴とした荷電粒子顕微鏡とすることによって、信号量を計測することができる。特に、信号ノイズ比を高くして、エミッタティップからのイオン放射パターンを観察できる。【００２８】
さらに、前記第２アパーチャが前記対物レンズを構成する電極と兼用していることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることによって、部品を兼用することができる。【００２９】
さらに、前記エミッタティップの先端をナノピラミッドとしたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることにより、細いビームとすることができ、高分解能で試料を観察できる
。【００３０】
さらに、ナノピラミッドのイオン放射パターンを表示する表示手段を有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることによって、表示されたイオン放射パターン画像を参照して、エミッタの傾斜角度調整およびイオンビーム光軸へのアライメントが可能になる。【００３１】
また、真空容器と、該真空容器内に配置されたエミッタティップと、該エミッタティップによって生成されたイオンが通過する開口部を有する引き出し電極と、前記エミッタティップと前記引き出し電極を有するイオン源と、該イオン源から放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、を有する荷電粒子顕微鏡において、前記イオンビームの照射軸に対する傾斜角度を調整可能な傾斜角度調整手段を有し、前記傾斜角度の違いによるイオン放射パターンを表示する表示手段を備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることで、イオン放射パターンを見ながらエミッタの傾斜角度を調整することができる。さらに、前記傾斜角度調整手段を構成する駆動機構が前記イオン源内に配置されており、前記エミッタティップを有するイオンエミッタの先端位置を略一定に維持したまま傾斜可能であることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることで、コンパクトにすることができる。【００３２】
さらに、前記傾斜角度調整手段を駆動する駆動機構は圧電素子を用いていることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることで、コンパクトにすることができる。【００３３】
また、真空容器と、該真空容器内に配置されたエミッタと、該エミッタによって生成されたイオンが通過する開口部を有する引き出し電極と、前記エミッタと前記引き出し電極を有するイオン源と、該イオン源から放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、該集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する第１偏向器とを有する荷電粒子顕微鏡において、前記エミッタ又は前記エミッタに接続されたフィラメントから発生する光を前記開口部から検出する光検出手段を備えることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることで、エミッタ又はエミッタに接続されたフィラメントを観察することができる。【００３４】
さらに、前記エミッタと前記引き出し電極との相対位置を変更する変更手段を備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることで、エミッタを調整することができる。【００３５】
さらに、前記光検出手段により検出された信号に基づいて、前記フィラメントに印可する電圧、電流、抵抗、温度のうち少なくとも１つを制御する制御手段を有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることによってフィラメントの温度を調整することができるのでエミッタのナノピラミッド構造の作製または再生の信頼性が向上でき、イオンビームを適切にできる。【００３６】
さらに、前記光検出手段が、前記エミッタ又は前記エミッタに接続されたフィラメントを、前記開口部を通して前記真空容器外で観察可能とする手段を備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることで、エミッタ又はエミッタに接続されたフィラメントを観察することができる。【００３７】
さらに、試料を載置する試料ステージが前記イオンビームに対して略垂直平面内での移動機能を有し、前記試料ステージに前記エミッタ又は前記エミッタに接続されたフィラメントを、前記開口部を通して前記真空容器外で観察可能とする手段を備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることで、エミッタ又はエミッタに接続されたフィラメントを観察することができる。【００３８】
さらに、前記集束レンズと前記対物レンズの間に、前記エミッタ又は前記エミッタに接続されたフィラメントを、前記開口部を通して前記真空容器外で観察可能とする手段を備えることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることでエミッタ又はエミッタに接続されたフィラメントを観察することができる。【００３９】
さらに、前記集束レンズと前記第１偏向器との間に第１アパーチャを有し、前記光検出手段の少なくとも一部を前記第１アパーチャに備えたことを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることで、エミッタ又はエミッタに接続されたフィラメントを観察することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によると、荷電粒子を試料に照射して試料を観察する荷電粒子線装置において、高分解能の試料観察を可能にできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による荷電粒子線装置の一例の概略構成図である。
【図２】本発明による荷電粒子線装置の一例の制御系の概略構成図である。
【図３】本発明による荷電粒子線装置の概略構成図である。
【図４】本発明による荷電粒子線装置の一例のガス電界電離イオン源の冷却機構の概略構造図である。
【図５】本発明による荷電粒子線装置の一例のガス電界電離イオン源の概略構成図である。
【図６Ａ】本発明による荷電粒子線装置の一例のガス電界電離イオン源で、傾斜機構の概略構成図である。（傾斜調整前）
【図６Ｂ】本発明による荷電粒子線装置の一例のガス電界電離イオン源で、傾斜機構の概略構成図である。（傾斜調整後）
【図７Ａ】本発明による荷電粒子線装置の一例のガス電界電離イオン源で、傾斜機構の概略構成図である。（傾斜調整前）
【図７Ｂ】本発明による荷電粒子線装置の一例のガス電界電離イオン源で、傾斜機構の概略構成図である。（傾斜調整後）
【図８Ａ】本発明による荷電粒子線装置の計算処理装置に画像表示されたイオン放射パターンの一例。（原子１個）
【図８Ｂ】本発明による荷電粒子線装置の計算処理装置に画像表示されたイオン放射パターンの一例。（原子６個）
【図９】本発明による荷電粒子線装置の一例の概略構成図である。
【図１０】本発明による荷電粒子線装置の一例の制御系の概略構成図である。
【図１１】本発明による荷電粒子線装置の一例の制御系の概略構成図である。
【図１２Ａ】本発明による荷電粒子線装置の一例のガス電界電離イオン源で、ガス分子イオン化室周辺の概略構成図である。（蓋部材が開状態）
【図１２Ｂ】本発明による荷電粒子線装置の一例のガス電界電離イオン源で、ガス分子イオン化室周辺の概略構成図である。（蓋部材が閉状態）
【図１３】本発明による荷電粒子線装置の計算処理装置に画像表示された、エミッタエミッタティップ、およびフィラメント画像の一例。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１を参照して本発明による荷電粒子線装置の例を説明する。以下に、イオンビーム装置として、走査イオン顕微鏡装置の第１の例を説明する。本例の走査イオン顕微鏡は、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、試料室３、及び、冷却機構４を有する。ここでガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、及び、試料室３内は真空容器である。
【００４３】
ガス電界電離イオン源の構成は後で詳細に述べるが、針状のエミッタティップ２１、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部２７を有する引き出し電極２４が含まれる。また、イオンビーム照射系は、上記ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンを集束する集束レンズ５、該集束レンズを通過したイオンビーム１４を制限する可動な第１アパーチャ６、該第１アパーチャを通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器３５、該第１アパーチャを通過したイオンビームを偏向する第２偏向器７、該第１アパーチャを通過したイオンビーム１４を制限する第２アパーチャ３６、該第１アパーチャを通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ８から構成される。
【００４４】
ここで第１偏向器とは、後で詳述するが、エミッタティップからのイオン放射パターンを得るためにイオンビームを走査する偏向器である。また、第１とは、イオン源から試料方向に最初の偏向器という意味である。ただし、第１偏向器と集束レンズ間に、第１偏向器の光学軸方向の長さに比べて短い偏向器を備え、これをイオンビームの偏向軸調整に用いる荷電粒子線装置としても、本発明の範囲を逸脱するものではない。
【００４５】
また、試料室３内には、試料９を載置する試料ステージ１０、及び、二次粒子検出器１１が設けられている。ガス電界電離イオン源１からのイオンビーム１４は、イオンビーム照射系を経由して、試料９に照射される。試料９からの二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出される。ここで、二次粒子検出器１１で計測される信号量は、該第２アパーチャ３６を通過したイオンビーム電流にほぼ比例している。
【００４６】
また、図示してないが、イオンビームを照射したときの試料のチャージアップを中和するための電子銃や、試料近傍にエッチングやデポジションガスを供給するガス銃を設ける。
【００４７】
本例のイオン顕微鏡は、更に、ガス電界電離イオン源１を真空排気するイオン源真空排気用ポンプ１２、及び、試料室３を真空排気する試料室真空排気用ポンプ１３を有する。床２０の上に配置された装置架台１７の上には、防振機構１９を介して、ベースプレート１８が配置されている。電界電離イオン源１、カラム２、及び、試料室３は、ベースプレート１８によって支持されている。冷却機構４は、電界電離イオン源１の内部、エミッタティップ２１、引き出し電極２４などを冷却する。冷却機構４は例えばギフォード・マクマホン型（ＧＭ型）冷凍機を用いる場合には、床２０には、図示してないがヘリウムガスを作業ガスとする圧縮機ユニット（コンプレッサ）が設置される。圧縮機ユニット（コンプレッサ）の振動は、床２０を経由して、装置架台１７に伝達される。装置架台１７とベースプレート１８との間には除振機構１９が配置されており、床の高周波数の振動は電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などには伝達しにくいという特徴を持つ。従って、圧縮機ユニット（コンプレッサ）の振動が、床２０を経由して、電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、及び、試料室３に伝達しにくいという特徴を持つ。ここでは、床２０の振動の原因として、冷凍機４０及びコンプレッサ１６を説明した。しかしながら、床２０の振動の原因はこれに限定されるものではない。
【００４８】
また、防振機構１９は、防振ゴム、バネ、ダンパ、又は、これらの組合せによって構成されてよい。
【００４９】
本例では、装置架台１７の上に防振機構１９を設けたが、装置架台１７の脚に防振機構１９を設ける、あるいは両者を併用してもよい。
【００５０】
図２は、図１に示した本発明によるイオン顕微鏡の制御装置の例を示す。本例の制御装置は、ガス電界電離イオン源１を制御する電界電離イオン源制御装置９１、冷凍機４０を制御する冷凍機制御装置９２、集束レンズ５および対物レンズを制御するレンズ制御装置９３、可動な第１アパーチャ６を制御する第１アパーチャ制御装置９４、第１偏向器を制御する第１偏向器制御装置１９５、第２偏向器を制御する第２偏向器制御装置９５、二次粒子検出器１１を制御する二次電子検出器制御装置９６、試料ステージ１０を制御する試料ステージ制御装置９７、試料室真空排気用ポンプ１３を制御する真空排気用ポンプ制御装置９８、及び、演算装置を含む計算処理装置９９を有する。計算処理装置９９は画像表示部を備える。画像表示部は、二次粒子検出器１１の検出信号から生成された画像、及び、入力手段によって入力した情報を表示する。
【００５１】
試料ステージ１０は、試料９を試料載置面内にて直交２方向へ直線移動させる機構、試料９を試料載置面に垂直な方向への直線移動させる機構、及び、試料９を試料載置面内にて回転させる機構を有する。試料ステージ１０は、更に、試料９を傾斜軸周りに回転させることによりイオンビーム１４の試料９への照射角度を可変できる傾斜機能を備える。これらの制御は計算処理装置９９からの指令によって、試料ステージ制御装置９７によって実行される。
【００５２】
本例のイオン顕微鏡のイオンビーム照射系の動作を説明する。イオンビーム照射系の動作は、計算処理装置９９からの指令により制御される。ガス電界電離イオン源１によって生成されたイオンビーム１４は、集束レンズ５によって集束され、ビーム制限アパーチャ６によって、ビーム径が制限され、対物レンズ８によって、集束される。集束されたビームは、試料ステージ１０上の試料９の上に走査されながら、照射される。
【００５３】
試料から放出された二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器１１からの信号は、輝度変調され、計算処理装置９９に送られる。計算処理装置９９は、走査イオン顕微鏡像を生成し、それを画像表示部に表示する。こうして、試料表面の高分解能観察を実現することができる。
【００５４】
なお、第１アパーチャはイオンビーム照射軸１４aに対して略垂直平面内での方向に可動であり、第１アパーチャ開口部をイオンビーム光学軸と一致させることができ、イオンビームの歪が少なく極微細なビームを得られるという効果を奏する。さらに、アパーチャ開口部の大きさを可変にする、あるいは大きさの異なる開口部、例えば、直径の異なる複数の穴を用意しておき、開口部大きさを選択する、あるいはある直径の穴を選択してこれにイオンビームを通過させることにより、イオンビームのレンズに対する開き角を選択する。これにより、レンズ収差の大きさを制御することができるので、イオンビーム径およびイオンビーム電流を制御できるという効果を奏する。
【００５５】
次に図３を参照して、本発明による荷電粒子線装置の一例を説明する。本図では、図１に示した荷電粒子線装置の冷却機構４の一例について詳細に説明する。本例の冷却機構４は、ヘリウム循環方式を採用している。本例の冷却機構４は、冷媒となるヘリウムガスをＧＭ型冷凍機４０１および熱交換器４０２、４０６、４０７、４０８を用いて冷却して、これを圧縮機ユニット４００により循環させる。コンプレッサ４０３で加圧された例えば０．９ＭＰaの常温の温度３００Ｋのヘリウムガスは配管４０９を通じて熱交換器４０２に流入し、後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約６０Ｋに冷却される。冷却されたヘリウムガスは断熱されたトランスファーチューブ４０４内の配管４０３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４０５に流入する。ここで、熱交換器４０５に熱的に一体化された熱伝導体４０６を温度約６５Ｋに冷却し、前記した輻射シールド等を冷却する。加温されたヘリウムガスは熱交換器４０５を流出し配管４０７を通じて、ＧＭ型冷凍機４０１の第１冷却ステージ４０８に熱的に一体化された熱交換器４０９に流入し、温度約５０Ｋに冷却され、熱交換器４１０に流入する。後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約１５Ｋに冷却され、そののち、ＧＭ型冷凍機４０１の第２冷却ステージ４１１に熱的に一体化された熱交換器４１２に流入し、温度約９Ｋに冷却され、トランスファーチューブ４０４内の配管４１３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４１４に流入し、熱交換器４１４で熱的に接続された良熱伝導体の冷却伝導棒５３を温度約１０Ｋに冷却する。熱交換器４１４で加温されたヘリウムガスは配管４１５を通じて熱交換器４１０、４０２に順次流入し、前述のヘリウムガスと熱交換してほぼ常温お温度約２７５Ｋになって、配管４１５を通じて圧縮機ユニット４００に回収される。なお、前述した低音部は真空断熱容器４１６ないに収納され、トランスファーチューブ４０４とは、図示していないが断熱的に接続されている。また、真空断熱容器４１６内において、図示していないが低温部は輻射シールド板や、積層断熱材等により室温部からの輻射熱による熱侵入を防止している。
【００５６】
また、トランスファーチューブ４０４は床２０または床２０に設置された支持体４１７に強固に固定支持されている。ここで、図示していないが熱伝導率が低い断熱材であるガラス繊維入りのプラスチック製に断熱体でトランスファーチューブ４０４の内部で固定支持された配管４０３、４０７、４１３、４１５も床２０で固定支持されている。また、ガス電界電離イオン源１近くにおいて、トランスファーチューブ４０４は、ベースプレート１８に支持固定されており、同様にここで、図示していないが熱伝導率が低い断熱材であるガラス繊維入りのプラスチック製に断熱体でトランスファーチューブ４０４の内部で固定支持された配管４０３、４０７、４１３、４１５もベースプレート１８で固定支持されている。
【００５７】
すなわち、本冷却機構は、圧縮機ユニット１６で発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却し、圧縮機ユニット４００で循環する第２の移動する冷媒であるヘリウムガスで被冷却体を冷却する冷却機構である。
【００５８】
冷却伝導棒５３は変形可能な銅網線５４およびサファイアベースを経てエミッタティップ２１に接続される。これによりエミッタティップ２１の冷却が実現する。この実施例では、ＧＭ型冷凍機は床を振動させる原因になるが、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などはＧＭ冷凍機とは隔離されて設置されており、さらにガス電界電離イオン源１近傍に設置した熱交換器４０５、４１４に連結された配管４０３、４０７、４１３、４１５は殆ど振動しない床２０やベース１８に強固に固定支持されて振動せず、さらに床から振動絶縁されているため機械振動の伝達の極めて少ないシステムとなることが特徴である。
【００５９】
以上、本発明のガス電界電離イオン源および荷電粒子線装置によれば、冷却機構からの振動は、エミッタティップに伝達されにくく、エミッタベースマウントの固定機構が備えられているためエミッタティップの振動が防止され高分解能観察が可能となる。
【００６０】
更に、本願の発明者は、コンプレッサ１６又は４００の音が電界電離イオン源１を振動させてその分解能を劣化させることを突き止めた。そのため、本例では、コンプレッサと電界電離イオン源を空間的に分離するカバー４１７を設けた。これにより、コンプレッサの音に起因した振動の影響を低減することができる。それによって、高分解能観察が可能となる。
【００６１】
また、本実施例の場合、ヘリウム圧縮機４００を用いて第２のヘリウムガスを循環させたが、図示しないが流量調整弁を介して、ヘリウム圧縮機１６の  配管１１１、１１２と、それぞれ流量調整弁を介して、配管４０９、４１６を連通し、配管４０９内にヘリウム圧縮機１６の一部のヘリウムガスを第２のヘリウムガスとして循環ヘリウムガスを供給し、配管４１６でガスをヘリウム圧縮機１６に回収しても、同様な効果を生じる。
【００６２】
また、本例では、ＧＭ型冷凍機４０を用いたが、その代わりに、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機を用いてもよい。また、本例では、冷凍機は、２つの冷却ステージを有するが、単一の冷却ステージを有するものでもよく、冷却ステージの数は特に限定されるものではない。例えば、１段の冷却ステージを持つ小型のスターリング型冷凍を用いて、最低冷却温度を５０Ｋとしたヘリウム循環冷凍機とすれば、コンパクトで低コストのイオンビーム装置を実現できる。また、この場合には、ヘリウムガスの代わりにネオンガスや水素を用いてもよい。
【００６３】
図４は、図１に示した本発明による荷電粒子線装置のガス電界電離イオン源１とその冷却機構４の一例を示す。ガス電界電離イオン源１については、図５にて詳細に説明する。ここでは、冷却機構４を説明する。本例ではガス電界電離イオン源１の冷却機構４として、ＧＭ型冷凍機４０とヘリウムガスポット４３を組み合わせた冷却機構を用いる。ＧＭ型冷凍機の中心軸線は、イオン顕微鏡のエミッタティップ２１を通るイオンビーム照射系の光軸に平行に配置されている。これにより、イオンビームの集束性の向上と冷凍機能の向上を両立できる。
【００６４】
ＧＭ型冷凍機４０は、本体４１と第１冷却ステージ４２Ａと第２冷却ステージ４２Ｂを有する。本体４１は支柱１０３によって支持されている。第１冷却ステージ４２Ａ及び第２冷却ステージ４２Ｂは、本体４１より吊り下げられた構造を有する。
【００６５】
第１冷却ステージ４２Ａの外径は、第２冷却ステージ４２Ｂの外径より大きい。第１冷却ステージ４２Ａの冷凍能力は約５Ｗであり、第２冷却ステージ４２Ｂの冷凍能力は約０．２Ｗである。第１冷却ステージ４２Ａは、約５０Ｋまで冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂは、4Kまで冷却可能である。
【００６６】
第１冷却ステージ４２Ａの上端部は、ベローズ６９によって囲まれている。第１冷却ステージ４２Ａの下端部と第２冷却ステージ４２Ｂは、ガス密封型のポット４３によって覆われている。ポット４３は、第１冷却ステージ４２Ａを囲むように構成された径が大きい部分４３Ａと、第２冷却ステージ４２Ｂを囲むように構成された径が小さい部分４３Ｂを有する。ポット４３は支柱１０４によって支持されている。支柱１０４は図１に示したように、ベースプレート１８に支持されている。
【００６７】
ベローズ６９及びポット４３は、密閉構造を有し、その内部に、熱伝導媒体としてヘリウムガス４６が充填されている。２つの冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂはヘリウムガス４６に囲まれているが、ポット４３には接触していない。なお、ヘリウムガスの代わりにネオンガスや水素を用いてもよい。
【００６８】
本例のＧＭ型冷凍機４０では、第１冷却ステージ４２Ａは約５０Ｋまで冷却される。そのため第１冷却ステージ４２Ａの周囲のヘリウムガス４６は、約７０Ｋに冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂは、４Ｋまで冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂの周囲のヘリウムガス４６は約6Kまで冷却される。こうして、ポット４３の下端は、約6Kまで冷却される。
【００６９】
ＧＭ型冷凍機４０の本体４１の振動は、支柱１０３と２つの冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂに伝達される。冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂに伝達された振動は、ヘリウムガス４６にて減衰する。ＧＭ型冷凍機の冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂが振動しても、ヘリウムガスが中間に存在するため熱は伝導されるが、機械振動は減衰し、第１冷却ステージ４１および第２冷却ステージ４２で冷却される密封型のポット４３に振動が伝播し難い。特に高い振動数の振動は伝達しにくい。すなわち、ポット４３の機械振動はＧＭ型冷凍機の冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂの機械振動に比べて極めて低減するという効果を奏する。図１を参照して説明したように、コンプレッサ１６の振動は、床２０を経由して、装置架台１７に伝達されるが、防振機構１９によって、ベースプレート１８に伝達されることが防止される。従って、コンプレッサ１６の振動は、支柱１０４、及び、ポット４３に伝達されることはない。
【００７０】
なお、ポット４３の下端は、熱伝導率の高い銅製の冷却伝導棒５３に接続されている。冷却伝導棒５３内にはガス供給配管２５が設けられている。冷却伝導棒５３は、銅製の冷却伝導管５７によって覆われている。
【００７１】
本例では、ポット４３の径が大きい部分４３Ａに、図示しない輻射シールドが接続されており、この輻射シールドは、銅製の冷却伝導管５７に接続されている。従って、冷却伝導棒５３及び冷却伝導管５７は常にポット４３と同一の温度に保持される。
【００７２】
本例では、ＧＭ型冷凍機４０を用いたが、その代わりに、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機を用いてもよい。また、本例では、冷凍機は、２つの冷却ステージを有するが、単一の冷却ステージを有するものでもよく、冷却ステージの数は特に限定されるものではない。
【００７３】
図５を参照して、本発明による荷電粒子線装置のガス電界電離イオン源１の構成を更に詳細に説明する。本例のガス電界電離イオン源は、エミッタティップ２１、１対のフィラメント２２、フィラメントマウント２３、支持棒２６、及び、エミッタベースマウント６４を有する。エミッタティップ２１は、フィラメント２２に接続されている。フィラメント２２は支持棒２６に固定されている。支持棒２６はフィラメントマウント２３に支持されている。フィラメントマウント２３は、絶縁材６２を挟んで、圧電素子を用いた傾斜機構６１、エミッタベースマウント６４に固定されている。エミッタベースマウント６４は、図４に示したように、上部フランジ５１に装着されている。なお、圧電素子を用いた傾斜機構６１については後で詳細に説明する。
【００７４】
本例の電界電離イオン源は、更に、引き出し電極２４、円筒状の抵抗加熱器３０、円筒状の側壁２８、及び、天板２９を有する。引き出し電極２４はエミッタティップ２１に対向して配置され、イオンビーム１４が通るための開口部２７を有する。側壁２８には、絶縁材６３が挿入されており、引き出し電極に高電圧を印加できる。
【００７５】
側壁２８及び天板２９は、エミッタティップ２１を囲んでいる。引き出し電極２４、側壁２８、天板２９、絶縁材６３、及び、フィラメントマウント２３によって囲まれる空間を、ガス分子イオン化室１５と呼ぶ。なお、ガス分子イオン化室はエミッタティップ周辺のガス圧力を高めるための部屋であり、その壁を構成する要素に限定されるものではない。
【００７６】
また、ガス分子イオン化室１５にはガス供給配管２５が接続されている。このガス供給配管２５によって、エミッタティップ２１に、イオン材料ガス（イオン化ガス）が供給される。イオン材料ガス（イオン化ガス）は、ヘリウム又は水素である。
【００７７】
ガス分子イオン化室１５は、引き出し電極２４の孔２７とガス供給配管２５を除いて、密閉されている。ガス供給配管２５を経由してガス分子イオン化室内には供給されたガスは、引き出し電極の孔２７とガス供給配管２５以外の領域から漏洩することは無い。引き出し電極２４の開口部２７の面積を十分小さくすることによって、ガス分子イオン化室内を高い気密性及び密閉性を保持することができる。引き出し電極２４の開口部を、例えば円形孔２７とすると、その直径は、例えば、０．３ｍｍである。それによって、ガス供給管２５からガスイオン化室１５にイオン化ガスを供給すると、ガスイオン化室１５のガス圧力は真空容器のガス圧力よりも少なくとも１桁以上大きくなる。それによってイオンビームが真空中のガスと衝突して中性化する割合が減少し、大電流のイオンビームを生成することができる。
【００７８】
抵抗加熱器３０は、引き出し電極２４、側壁２８等を脱ガス処理するために用いる。引き出し電極２４、側壁２８等を加熱することによって、それより脱ガス化する。抵抗加熱器３０は、ガス分子イオン化室１５の外側に配置する。従って、抵抗加熱器自身が脱ガス化しても、それはガス分子イオン化室外で行われるから、ガス分子イオン化室内は高真空化することができる。
【００７９】
本例では脱ガス処理に、抵抗加熱器を用いたが、代わりに、加熱用ランプを用いてもよい。加熱用ランプは、引き出し電極２４を非接触で加熱できるため、引き出し電極の周囲構造を簡単にできる。更に、加熱用ランプでは、高電圧を印加する必要が無いため、加熱用ランプ電源の構造が簡単である。更に、抵抗加熱器を用いる代わりに、ガス供給配管２５を介して高温の不活性ガスを供給して、引き出し電極、側壁等を加熱し、脱ガス処理してもよい。この場合、ガス加熱機構を接地電位にすることができる。更に、引き出し電極の周囲構造が簡単になり、且つ、配線及び電源が不要である。
【００８０】
試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３に装着された抵抗加熱器によって、試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３を約２００℃まで加熱し、試料室３の真空度を大きくとも１０−７Ｐａ以下にするとよい。それによって、イオンビームを試料に照射したときに、試料の表面にコンタミネーションが付着することが回避され、試料の表面を良好に観察できる。従来の技術では、試料の表面にヘリウムイオン又は水素イオンのビームを照射すると、コンタミネーションによるデポジションの成長が早いため、試料表面の観察が困難になる場合があった。そこで、試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３を真空の状態で加熱処理し、試料室３の真空内のハイドロカーボン系の残留ガスを微量化する。それによって、試料の最表面を高分解能で観察できる。
【００８１】
また、図５では、イオン化室に非蒸発ゲッタ材料を用いている。本実施例では、イオン材料ガス供給配管２５から放出されるガスが衝突する壁にゲッタ材料５２０を配置した。また、イオン化室外壁には加熱ヒータ３０が備えられておりイオン化ガス導入前に、非蒸発ゲッタ材料５２０を加熱して活性化する。そして、イオン源を極低温に冷却した後、イオン化ガスをイオン材料ガス供給配管２５から供給する。このようにすると、エミッタティップに付着する不純物ガス分子が飛躍的に減少し、イオンビーム電流が安定して、観察像に明るさのムラが無い試料観察を可能にするイオンビーム装置が提供される。
【００８２】
次に、図６を参照して、圧電素子を用いた傾斜機構について説明する。フィラメントマウント２３を通る中心軸線６６は、鉛直線６５に対して、即ち、ガス分子イオン化室１５の中心軸線に対して傾斜可能である。図６Ａは、フィラメントマウント２３を通る中心軸線６６が鉛直線６５に対して傾斜していない状態を示す（図では２つの線は重なっている）。図６Ｂは、フィラメントマウント２３を通る中心軸線６６が鉛直線６５に対して傾斜した状態を示す。
【００８３】
フィラメントマウント２３は傾斜機構の可動部６０１に固定されている。可動部６０１は非可動部６０２とすべり面６０３を介して接続されている。このすべり面６０３はエミッタティップ２１の先端を中心とした円筒面あるいは球面の一部となっており、このすべり量の制御によりエミッタティップ２１の先端を略移動させる事無く、傾斜制御することができる。ここで略とは０．５ｍｍ以内であれば問題ない。この範囲内であれば偏向器で調整することができる。すべり面６０３が円筒面の一部となっている場合は、イオンビーム照射軸を中心とした該円筒面の回転角制御により傾斜面の方位角制御が実施できる。すべり面６０３が球面の一部となっている場合は、所望の方位角で傾斜制御をすればよい。傾斜手段のすべり面はエミッタティップ２１の先端を中心とした円筒面あるいは球面の一部であり、平面ではない。そのためエミッタティップ１の先端の中心から円筒面あるいは球面までのすべり面半径が小さければすべり面も小さくでき、ガス電界電離イオン源を小型化できる。また、本発明では、傾斜手段の可動部６０１、非可動部６０２および両部間のすべり面６０３もイオン源室内にあり、すべり面の半径はイオン源の真空筐体半径よりも小さい。すべり面には大気圧力はかかっておらず、可動部および非可動部は小型化かつ軽量化できる。小型の傾斜手段をイオン源真空容器、さらにイオン化室内に収めたことからイオン源自体もコンパクトにできた。すなわち、小型かつ軽量にできた。すなわち、荷電粒子顕微鏡の対振動の強化および顕微鏡自体の小型化に効果を奏する。
【００８４】
また、製作容易性と制御容易性の観点から傾斜手段の最も有用な構造は、エミッタ２１先端に中心軸を置き、すべり面がエミッタティップ１の先端を中心とした円筒面持つ構造で、直交２方向のすべり面が各々異なった半径を有する円筒の部分面である傾斜手段を２個組み合わせた構造である。２つのすべり面はイオンビーム照射軸を中心として相対的に９０度回転させて上下に組み合わされ、２つのすべり面を独立に制御することで直交方向の傾斜が可能なため、この合成によって任意方向への傾斜が可能となる。この場合、各すべり面は該すべり方向に一致したアーチ上のガイドに沿って１次元的に圧電素子を配置しておけば良いので、構造および制御が簡便である。一方すべり面を球面とする場合には、すべり面は１つで済むものの球面上に２次元的に圧電素子を配置する必要があるため圧電素子の数が増加し、球面に配置する工作精度も非常に高くなる。また、圧電素子の制御も複雑になる。
【００８５】
図６の圧電素子６０４はすべり面６０３と平行な傾斜手段の非可動部６０１側の面に沿って配列され、すべり面６０３は該素子に密着されている。圧電素子６０４にパルス状の電圧を印加することで該素子は一方向に伸縮が可能であり、すべり面６０３を摩擦力によって移動させることが可能である。
【００８６】
また、傾斜力の発生手段には、以上で説明した圧電素子を用いる場合の他にも、モータに繋がれた歯車の組合せによる回転機構、およびリニアアクチュエータによるプッシュプル機構なども用いることも可能である。
【００８７】
図７Ａ、図７Ｂを参照して、別のティップ傾斜機構について説明する。エミッタベースマウント６４を通る中心軸線６６は、鉛直線６５に対して、即ち、ガス分子イオン化室１５の中心軸線に対して傾斜可能である。図７Ａは、フィラメントマウント２３とエミッタベースマウント６４を通る中心軸線６６が鉛直線６５に対して傾斜していない状態を示す（図では２つの線は重なっている）。図７Ｂは、フィラメントマウント２３とエミッタベースマウント６４を通る中心軸線６６が鉛直線６５に対して傾斜した状態を示す。
【００８８】
本例では、エミッタベースマウント６４は傾斜機構の可動部７０１に装着されており、真空容器６８とは、ベローズ１６１によって接続されている。また、天板２９には、絶縁材６３が接続されている。絶縁材６３とフィラメントマウント２３の間には、ベローズ１６２が装着されている。非可動部７０２は真空容器６８に固定されており、可動部７０１は非可動部７０２とすべり面７０３を介して接続されている。このすべり面７０３はエミッタティップ２１の先端を中心とした円筒面あるいは球面の一部となっており、このすべり量の制御によりエミッタティップ２１の先端をほぼ移動させる事無く、傾斜制御することができる。なお、本例の場合には、可動部７０１の駆動手段、すなわち傾斜力の発生手段は大気中に配置できるため、回転−直進変換機構と回転モータの組み合わせなど、その手段の選択肢は多い。
【００８９】
本構造の特徴は、エミッタティップ２１が変形可能なベローズ１６２および、絶縁材６３を介して引き出し電極２４と接続されることである。これにより、引き出し電極を固定構造として、同時にエミッタティップ２１が傾斜を含めて移動可能でありながら、エミッタティップ周辺を囲んで、引き出し電極の小穴２７およびガス供給配管２５以外にはヘリウムの漏洩は無い。これは、変形可能なベローズ１６２を挟んでエミッタティップ２１と引き出し電極２４を接続したことによるものであり、ガス分子イオン化室の気密を高める効果を奏する。なお、本例では金属ベローズを用いたが、ゴムなどの変形可能な材料で接続しても同様な効果が得られる。また、エミッタベースマウント、形状可変な機構部品、引き出し電極などによってエミッタティップが概ね囲まれるイオン化室が前記真空容器内で変形可能であることが特徴である。さらに、このイオン化室が概ね室温の真空容器と接していないことが特徴となる。これによりイオンビームの集束性が高く、さらにガス分子イオン化室の密閉度が高まり、ガス分子イオン化室の高ガス圧力を実現できる。
【００９０】
次に、本例の電界電離イオン源の動作を説明する。イオン源真空排気用ポンプ１２によって真空容器内を真空排気する。抵抗加熱器３０によって、引き出し電極２４、側壁２８、及び、天板２９の脱ガス処理を行う。即ち、引き出し電極２４、側壁２８、及び、天板２９を加熱することにより脱ガス化する。尚、同時に、真空容器の外側に別の抵抗加熱器を配置し、真空容器を加熱してよい。それによって、真空容器内の真空度が向上し、残留ガス濃度が低下する。この操作によりイオン放出電流の時間安定性を向上させることができる。
【００９１】
脱ガス処理が終了すると、抵抗加熱器３０による加熱を停止し、十分な時間が経過した後、冷凍機を運転する。それによってエミッタティップ２１、および引き出し電極２４等が冷却される。次に、ガス供給配管２５によりイオン化ガスをガス分子イオン化室１５に導入する。イオン化ガスはヘリウム又は水素であるが、ここでは、ヘリウムであるとして説明する。上述のように、ガス分子イオン化室内は高い真空度を有する。従って、エミッタティップ２１によって生成されたイオンビームがガス分子イオン化室内の残留ガスと衝突して中性化する割合が少なくなる。そのため、大電流のイオンビームを生成することができる。また、高温のヘリウムガス分子が引き出し電極と衝突する個数は減少する。そのため、エミッタティップ、及び、引き出し電極の冷却温度を下げることができる。したがって、大電流のイオンビームを試料に照射できる。
【００９２】
次に、エミッタティップ２１と引き出し電極２４の間に電圧を印加する。エミッタティップの先端に強電界が形成される。ガス供給配管２５から供給されたヘリウムの多くが、強電界によってエミッタティップ面に引っ張られる。ヘリウムは、最も電界の強いエミッタティップの先端近傍に到達する。そこでヘリウムが電界電離し、ヘリウムイオンビームが生成される。ヘリウムイオンビームは、引き出し電極２４の孔２７を経由して、イオンビーム照射系に導かれる。
【００９３】
次に、エミッタティップ２１の構造及び作製方法を説明する。先ず、直径約１００〜４００μｍ、軸方位＜１１１＞のタングステン線を用意し、その先端を鋭利に成形する。それによって、曲率半径が数１０ｎｍの先端を有するエミッタティップが得られる。このエミッタティップの先端に、別の真空容器注で白金を真空蒸着させる。次に、高温加熱下にて、白金原子をエミッタティップの先端に移動させる。それによって、白金原子によるナノメートルオーダのピラミッド型構造が形成される。これをナノピラミッドと呼ぶことにする。ナノピラミッドは、典型的には、先端に１個の原子を有し、その下に３個又は６個の原子の層を有し、さらにその下に１０個以上の原子の層を有する。
【００９４】
なお、本例では、タングステンの細線を用いたがモリブデンの細線を用いることもできる。また、本例では、白金の被覆を用いたが、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム等の被覆を用いることもできる。
【００９５】
イオン化ガスとしてヘリウムを用いる場合には、ヘリウムが電離する電界強度よりも金属の蒸発強度が大きいことが重要である。従って、白金、レニウム、オスミウム、イリジウムの被覆が好適となる。イオン化ガスとして水素を用いる場合には、白金、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム、イリジウムの被覆が好適である。なお、これらの金属の被覆の形成は、真空蒸着法によっても可能であるが、溶液中でのメッキによっても可能である。
また、エミッタティップの先端にナノピラミッドを形成する方法として、他に、真空中での電界蒸発、イオンビーム照射等を用いてもよい。このような方法によって、タングステン線、又はモリブデン線先端にタングステン原子又はモリブデン原子ナノピラミッドを形成することができる。例えば＜１１１＞のタングステン線を用いた場合には、先端が３個のタングステン原子で構成されるのが特徴となる。また、これとは別に、白金、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウムなどの、細線の先端に真空中でのエッチング作用により同様なナノピラミッドを形成してもよい。これらの原子オーダの鋭利な先端構造をもつエミッタティップをナノティップと呼ぶことにする。
【００９６】
上述のように、本実施例によるガス電界電離イオン源のエミッタティップ２１の特徴は、ナノピラミッドにある。エミッタティップ２１の先端に形成される電界強度を調整することによって、エミッタティップの先端の１個の原子の近傍でヘリウムイオンを生成させることができる。従って、イオンが放出される領域、即ち、イオン光源は極めて狭い領域であり、ナノメータ以下である。このように、非常に限定された領域からイオンを発生させることによって、ビーム径を１ｎｍ以下とすることができる。そのため、イオン源の単位面積及び単位立体角当たりの電流値は大きくなる。これは試料上で微細径・大電流のイオンビームを得るためには重要な特性である。
【００９７】
特に、タングステンに白金を蒸着した場合には、先端に１個の原子が存在するナノピラミッド構造が安定して形成される。この場合、ヘリウムイオン発生箇所は、先端の１個の原子近傍に集中される。タングステン＜１１１＞の先端の３個の原子の場合には、ヘリウムイオン発生箇所は、３個の原子近傍に分散される。したがって、ヘリウムガスが１個の原子に集中して供給される白金のナノピラミッド構造を持つイオン源の方が単位面積・単位立体角から放出される電流は大きくできる。すなわち、タングステンに白金を蒸着したエミッタティップとすれば、イオン顕微鏡の試料上のビーム径を小さくしたり、電流を増大したりするのに好適となる効果を奏する。なお、レニウム、オスミウム、イリジウム、パラジュウム、ロジュウム、などを用いても、先端原子１個のナノピラミッドが形成された場合には、同様に単位面積・単位立体角から放出される電流を大きくすることができ、イオン顕微鏡の試料上のビーム径を小さくしたり、電流を増大したりするのに好適となる。ただし、エミッタティップが十分冷却され、かつガス供給が十分な場合には、必ずしも先端を１個に形成する必要はなく、３個、７個、１０個などの原子数であっても十分な性能を発揮できる。
次に、エミッタティップの傾斜角度調整を説明する。第１アパーチャの開口部を大きいものを選択する。例えば、直径３ｍｍの円形開口部を選択する。すなわち、集束レンズを構成するドーナッツ状の円盤の開口部を通過したイオンビームはこの第１アパーチャの開口部をすべて通過できる条件とするのである。第１アパーチャを通過したイオンビームは第１偏向器を通過し、次に第１偏向器、第２アパーチャ、対物レンズを通過して試料に到達する。試料から放出された二次粒子は既に述べたように、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器１１からの信号は、輝度変調され、計算処理装置９９に送られる。ここで、第１偏向器によってイオンビームを走査させる。すると、エミッタティップから放出されたイオンビームの内で、第２アパーチャを通過したイオンビームのみが試料に到達する。イオンビーム照射によって試料から放出された二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器１１からの信号は、輝度変調され、計算処理装置９９に送られる。ここでエミッタティップが、その先端が原子１個で形成されるナノティップである場合には、計算処理装置９９の画像表示装置には、図８Ａに示すように、イオン放射パターンとして１個所のみ明るいパターンが得られる。すなわち、エミッタティップ傾斜角度としては、この明るい点が得られる角度に設定すればよく、表示されたイオン放射パターン画像を参照して、エミッタの傾斜角度調整、さらにイオンビーム光軸へのアライメントについても可能になる。
【００９８】
なお、このように、先端１個の原子のみから、ほぼ全てのイオンビームが得られている場合には、ガス供給が原子１個に集中しており、例えば原子３個以上の場合に比べて、特に輝度の高いイオン源が実現されるという特徴を持つ。先端原子１個の場合には、アパーチャで他の原子からのイオンエミッションを遮る必要はなく、イオン放射パターンから、原子を選択する必要はない。
【００９９】
以上、本実施例によると、エミッタティップからのイオン放射パターンを得ることができ、エミッタの傾斜角度調整およびイオンビーム光軸へのアライメントが可能になる。また、イオンビーム光学系を短くすることができるため、エミッタと試料の相対振動の振幅が小さくなり、その結果、高分解能の試料観察を可能にする。
【０１００】
さらに、前記第２アパーチャが前記対物レンズを通過する前記イオンビームを制限することによって、イオンビームの放射パターンが取りやすいため、分解能をあげやすい。
【０１０１】
また、エミッタティップが、その先端が複数の原子例えば原子6個で形成されるナノティップである場合には、第２アパーチャ位置において、エミッタティップの先端原子１個周辺から放出されたイオンビームの面積、あるいはその直径が、第２アパーチャの開口部の面積、あるいはその直径に比べて、少なくとも同じか大きくなるような条件では、エミッタティップの複数の原子個々からのイオンビームを分離して試料に到達させることができる。これはすなわち、第１偏向器によってイオンビームを走査させことによって、エミッタティップからのイオン放射パターンを観察することができることを意味する。なお、このイオン放射パターンは、図８Ｂに示すように、計算処理装置９９の画像表示部に表示される。このイオン放射パターンを観察しながらエミッタティップの角度を調整する。すなわち、イオン放射パターンの中で、６個の輝点から所望の１個の輝点、あるいは複数の輝点を選択して、これが試料に到達するように、エミッタティップの角度を調整する。なお、イオン放射パターンは図８Ｂに示すような６個のパターンのみならず、典型的には、３個、１０個、１５個、あるいは１５個を超える原子のパターンが得られる。特に、先端原子４個から１５個の原子の状態でイオン放射されている場合には、原子１個から３個に比べて電流は少ないが、安定してイオンエミションすることを見出した。すなわち、イオン電流が安定して、長寿命のイオン源が実現されるという効果を奏する。
【０１０２】
あるいは、このイオン放射パターンの画像情報は、画像表示されない場合でも、計算処理装置の演算装置に記憶され、例えば、イオン放射パターンを画像解析して、その結果から、エミッタティップの位置・角度調整、あるいは第１偏向器の電圧調整することもできる。また、ここで、対物レンズが複数のドーナッツ型円盤電極で構成されるとき、第２アパーチャが対物レンズの構成電極を兼用しても同様の機能が得られる。このとき、対物レンズの複数のドーナッツ型円盤電極のいずれの電極でもこの機能が得られるが、最もエミッタティップに近い電極を第２アパーチャとして用いると、他の電極を用いる場合と比べて対物レンズ内で二次電子の発生が少なく、放電などによる装置不安定を避けることができるという効果を奏する。
【０１０３】
また、次に第１偏向器の直流電圧を調整してイオンビームを対物レンズの軸に合わせると、イオンビームを細束化するのに好適な条件が実現できる。次に、試料ステージを駆動することにより実際の観察対象試料をイオンビーム照射可能領域に移動する。次に第１偏向器に比べて対物レンズに近い、第２偏向器によってイオンビームを走査偏向して、該試料に照射して、試料から放出された二次粒子を二次粒子検出器１１によって検出することにより、観察対象試料の表面の走査イオン顕微鏡像を得ることができる。
また、第２アパーチャ位置において、エミッタティップの先端原子１個周辺から放出されたイオンビームの面積、あるいはその直径が、第２アパーチャの開口部の面積、あるいはその直径に比べて、少なくとも同じか大きくなるような条件を満足するように、本実施例で集束レンズに電圧を印加してイオンビームを集束することによって、信号ノイズ比の高いイオン放射パターンが得られることを見出した。これは、少なくとも、集束レンズの電圧条件が、第２アパーチャの開口部へのイオンビーム集束条件に対して、少なくともアンダーフォーカス条件となる必要がある。
【０１０４】
また、イオン放射パターン取得時に第１アパーチャの開口部の面積が、第２アパーチャの開口部の面積に比べ大であれば、パターン解析に対して充分広い範囲のイオン放射パターンが得られることを見出した。
【０１０５】
また、イオン放射パターン取得時の第１アパーチャの開口部の面積を、試料上のイオンビームを大きくとも１０ｎｍ以下に細束化する際の第１アパーチャの開口部の面積に比べて大きくすると、パターン解析に対して充分広い範囲のイオン放射パターンが得られることを見出した。
【０１０６】
また、第２アパーチャ位置における第１偏向器によるイオンビーム走査面積が、第２アパーチャ開口部面積の少なくとも４倍以上にすると分解能が良好なイオン放射パターンが得られる。
【０１０７】
また、本実施例では、第２アパーチャを通過したイオンビーム電流にほぼ比例した信号量を計測する手段が、試料から放出された二次粒子を二次粒子検出器１１によって検出する手段であるが、他にイオンビーム電流を計測する電流計、例えば試料に接続された電流計、イオンビーム電流をチャンネルトロンで増幅して計測する手段、あるいはマルチチャンネルプレートで増幅して計測する手段のいずれかを含む手段であっても同様の機能が得られる、すなわちイオン放射パターンを観察することができ、特に、信号ノイズ比を高くして観察できる。
【０１０８】
また、本実施例で、集束レンズ下端から第１アパーチャまでの間隔を、第１偏向器の長さに比べて短くすると、照射系の光学長において無駄な空間を無くし、かつイオンエミッションパターンが得られ、さらに光学長を短縮できる。すなわち、本発明によると、ガス電界電離イオン源を備えた荷電粒子線装置において、イオン照射系がコンパクトになり、イオン光学長が短くなり、それによりエミッタティップと試料と相対振動の振幅が小さくなり、高分解能の試料観察が可能にあるという効果を奏する。また、かつエミッタティップからのイオンの放出方向を精度よく試料の方向に調整でき、それによりガス電界電離イオン源の性能を最大限活かした荷電粒子線装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１０９】
次に、図９を参照して、本発明による一例で、イオンエミッタのイオンビーム照射軸に対する傾斜角度を機械的に変更してイオンエミッタからのイオン放射パターンを観察する荷電粒子線装置を説明する。本装置では、既に述べたように、針状のエミッタティップ２１、エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極２４を含むガス電界電離イオン源１、イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ５、集束レンズを通過したイオンビーム１４を制限する可動のアパーチャ６、該アパーチャを通過したイオンビーム１４を偏向する偏向器７、偏向器を通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ８、およびイオンビーム１４の照射によって試料９から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器１１などによって構成される。ここで、エミッタティップ先端を略傾斜軸として、エミッタティップをイオンビーム照射軸に対して傾斜できる傾斜機構を備える。
【０１１０】
図１０に本例の制御装置を示す。本例の制御装置は、ガス電界電離イオン源１を制御する電界電離イオン源制御装置９１、エミッタティップ傾斜機構を制御するティップ傾斜機構制御装置１９６、集束レンズ５および対物レンズを制御するレンズ制御装置９３、可動アパーチャ６を制御するアパーチャ制御装置９４、偏向器を制御する偏向器制御装置９５、二次粒子検出器１１を制御する二次電子検出器制御装置９６、試料ステージ１０を制御する試料ステージ制御装置９７、試料室真空排気用ポンプ１３を制御する真空排気用ポンプ制御装置９８、及び、演算装置を含む計算処理装置９９を有し、計算処理装置９９は画像表示部を備える。画像表示部は、二次粒子検出器１１の検出信号から生成された画像、及び、入力手段によって入力した情報を表示する。
【０１１１】
可動アパーチャは、アパーチャをイオンビーム照射軸に対して略垂直平面内での直交２方向へ移動させる機構を有する。この制御は計算処理装置９９からの指令によって、可動アパーチャ制御装置９７によって実行される。
【０１１２】
本例のイオン顕微鏡のイオンビーム照射系の動作を説明する。イオンビーム照射系の動作は、計算処理装置９９からの指令により制御される。ガス電界電離イオン源１によって生成されたイオンビーム１４は、集束レンズ５によって集束され、可動アパーチャ６を通過し、対物レンズ８によって、集束される。集束されたビームは、試料ステージ１０上の試料９の上に走査されながら、照射される。
【０１１３】
試料から放出された二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器１１からの信号は、輝度変調され、計算処理装置９９に送られる。計算処理装置９９は、走査イオン顕微鏡像を生成し、それを画像表示部に表示する。こうして、試料表面の高分解能観察を実現することができる。
【０１１４】
次に、本装置でのエミッタティップの角度調整を説明する。可動アパーチャの開口部を例えば、直径０．０１ｍｍの円形開口部を選択する。次に、ティップ傾斜機構制御装置１９６の制御により、エミッタティップのイオンビーム照射軸に対する傾斜角度を逐次変化させる。ここで、エミッタティップから放出されるイオンビームが可動アパーチャを通過したときのみ、試料９まで到達する。イオンビーム照射によって試料から放出された二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器１１からの信号は、輝度変調され、計算処理装置９９に送られる。ここでエミッタティップが、その先端が原子１個で形成されるナノティップである場合には、計算処理装置９９の画像表示装置には、イオン放射パターンとして１個所のみ明るいパターンが得られる。すなわち、エミッタティップ傾斜角度としては、この明るい点が得られる角度に設定すればよい。すなわち、表示されたイオン放射パターン画像を参照して、エミッタの傾斜角度調整、さらにイオンビーム光軸へのアライメントについても可能になる。
【０１１５】
また、ここで、エミッタティップが、その先端が複数の原子例えば原子6個で形成されるナノティップである場合には、可動アパーチャ位置において、原子１個周辺から放出されたイオンビームが、可動アパーチャ位置で開口部に比べて少なくとも同じか大きくなるような条件では、エミッタティップの複数の原子個々からのイオンビームを分離して試料に到達させることができる。これはすなわち、エミッタティップのイオンビーム照射軸に対する傾斜角度を逐次変更させことによって、エミッタティップからのイオン放射パターンを観察することができることを意味する。なお、このイオン放射パターンは、計算処理装置の画像表示部に表示される。このイオン放射パターンを観察しながらエミッタティップの角度を調整する。すなわち、イオン放射パターンの中で、６個の輝点から所望の１個の輝点、あるいは複数の輝点を選択して、これが試料に到達するように、エミッタティップの角度を調整すれば良い。
【０１１６】
あるいは、このイオン放射パターンの画像情報は、画像表示されない場合でも、計算処理装置の演算装置に記憶され、例えば、イオン放射パターンを画像解析して、その結果から、エミッタティップの角度を調整することができる。
【０１１７】
また、可動アパーチャ位置において、エミッタティップの先端原子１個周辺から放出されたイオンビームの面積、あるいはその直径が、可動アパーチャの開口部の面積、あるいはその直径に比べて、少なくとも同じか大きくなるような条件を満足するように、本実施例で集束レンズに電圧を印加してイオンビームを集束することによって、信号ノイズ比の高いイオン放射パターンが得られることを見出した。これは、少なくとも、集束レンズの電圧条件が、可動アパーチャの開口部へのイオンビーム集束条件に対して、少なくともアンダーフォーカス条件となる必要がある。
【０１１８】
また、可動アパーチャの代わりに、偏向器と対物レンズの間に固定アパーチャを配置して、これを用いてイオン放射パターンを観察してエミッタティップを調整することもできる。この場合には、イオンビームを対物レンズの軸に合わせるのに好適となり、対物レンズの収差を低減することにより、より微細なイオンビーム径が得られる、すなわち超高分解能な観察が可能になるという効果を奏する。
【０１１９】
本実施例の場合には、イオン放射パターンを得るのに偏向器を用いないため制御装置構成が単純になり、コストが低減できるという効果を奏する。また、本実施例で、集束レンズ下端から可動アパーチャまでの間隔を、偏向器の長さに比べて短くすると、照射系の光学長において無駄な空間を無くし、かつイオンエミッションパターンが得られ、さらに光学長を短縮できる。すなわち、本発明によると、ガス電界電離イオン源を備えた荷電粒子線装置において、イオン照射系がコンパクトになり、イオン光学長が短くなり、それによりエミッタティップと試料と相対振動の振幅が小さくなり、高分解能の試料観察が可能にあるという効果を奏する。また、かつエミッタティップからのイオンの放出方向を精度よく試料の方向に調整でき、それによりガス電界電離イオン源の性能を最大限活かした荷電粒子線装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１２０】
次に、図９を参照して本発明による一例で、可動アパーチャ位置をイオンビームに対して該垂直平面内で移動する手段を用いて、イオンエミッタからのイオン放射パターンを観察する荷電粒子線装置を説明する。まず、可動アパーチャの開口部中心をイオンビーム照射軸に合わせておく、また、可動アパーチャの開口部を例えば、直径０．０１ｍｍの円形開口部を選択する。次に、可動アパーチャ制御装置の制御により、可動アパーチャ位置をイオンビーム照射軸に該垂直平面内で、直行２方向に走査移動させる。ここで、エミッタティップから放出されるイオンビームが可動アパーチャを通過したときのみ、試料まで到達する。イオンビーム照射によって試料から放出された二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器１１からの信号は、輝度変調され、計算処理装置９９に送られる。ここでエミッタティップが、その先端が原子１個で形成されるナノティップである場合には、計算処理装置の画像表示装置には、イオン放射パターンとして１個所のみ明るいパターンが得られる。そして、エミッタティップのイオンビーム照射軸に対する傾斜角度を逐次変化させながら、このパターンを観察する。そして、輝点が画像中心になれば、エミッタティップ傾斜角度が調整できたことになる。
【０１２１】
また、ここで、エミッタティップが、その先端が複数の原子例えば原子6個で形成されるナノティップである場合には、原子１個周辺から放出されたイオンビームが、可動アパーチャ位置で開口部に比べて少なくとも同じか大きくなるような条件では、エミッタティップの複数の原子個々からのイオンビームを分離して試料に到達させることができる。これは、上記と同様に、可動アパーチャ制御装置の制御により、可動アパーチャ位置をイオンビーム照射軸に該垂直平面内で、直行２方向に走査移動させると、エミッタティップからのイオン放射パターンを観察することができることを意味する。このイオン放射パターンを観察しながらエミッタティップの角度を調整する。すなわち、イオン放射パターンの中で、６個の輝点から所望の１個の輝点、あるいは複数の輝点を選択して、これが試料に到達するように、エミッタティップの角度を調整すれば良い。
【０１２２】
あるいは、このイオン放射パターンの画像情報は、画像表示されない場合でも、計算処理装置の演算装置に記憶され、例えば、イオン放射パターンを画像解析して、その結果から、エミッタティップの角度を調整することができる。
【０１２３】
以上の実施例では、可動アパーチャや固定アパーチャを用いているが、スリットを用いても良い。例えば、直交２方向に配置した２組みのスリットを用いれば、Ｘ、Ｙ各々の方向を独立して調整可能となる。
【０１２４】
以上の実施例では、イオン放射パターン画像は２次元画像である場合を説明したが、一方向の二次粒子強度プロファイルでも良い。この場合には、計算処理装置の画像表示装置上には、二次粒子強度プロファイルが表示されても良い。
【０１２５】
以上の実施例では、イオン放射パターンを観察する際の調整試料は、平坦でイオンビームが照射されるほぼ全て領域で二次粒子生成効率がほぼ一定であることが好適である。例えば、シリコン単結晶ウエハなどの単結晶試料、あるいは表面研磨されたステンレススチールなどが好適である。これにより，エミッタティップからのイオン放射パターンを，むらのない状態で観察できる。
また、エミッタティップ傾斜角度調整時には、試料ステージを移動させて、イオンビーム照射領域に、イオン放射パターン観察用として調整試料を配置して、観察対象のイオンビームが照射されないようにする。そして、試料観察する際には、試料ステージ移動により、イオンビーム照射領域に対象試料を配置すれば良い。これにより、軸調整時に観察対象となる試料を汚染、破損しにくいという効果を奏する。
【０１２６】
また、以上の実施例では、可動アパーチャを通過したイオンビーム電流にほぼ比例した信号量を計測する手段が、試料から放出された二次粒子を二次粒子検出器１１によって検出する手段であるが、他にイオンビーム電流を計測する電流計、例えば試料に接続された電流計、イオンビーム電流をチャンネルトロンで増幅して計測する手段、あるいはマルチチャンネルプレートで増幅して計測する手段のいずれかを含む手段であっても同様の機能が得られる、すなわちイオン放射パターンを観察することができる。これにより，信号ノイズ比の特に高い放射パターンを得ることができるという効果を奏する。
【０１２７】
また，第２アパーチャが対物レンズを構成する電極と兼用することができる。すなわち対物レンズ開口部を第２アパーチャとして用いれば、部品を兼用することができるという効果を奏する。
【０１２８】
以上の実施例では、ガス電界電離イオン源のイオンエミッタからのイオン放射パターンを観察可能な荷電粒子線装置として（１）第１偏向器と第２偏向器下の固定アパーチャを有し、イオンビームを第１偏向器で走査する手段を有する装置（２）イオンエミッタのイオンビーム照射軸に対する傾斜角度を機械的に変更する手段を有する装置（３）可動アパーチャ位置をイオンビームに対して該垂直平面内で移動する手段を有する装置、を説明したが、これらのうち、２つあるいは３つを組み合わせてもよい。これにより特に、パターンの観察領域が広くパターン解析精度が高い、かつエミッタティップの角度調整精度の良い装置が構成できるという効果を奏する。
【０１２９】
また、これらの手段をエミッタティップの角度調整に用いた例を説明したが、エミッタティップの位置調整に用いてもよい。これによると、イオンビーム照射軸との調整精度が高く、レンズ歪み収差を少なくして極微細なイオンビームを形成できる、ずなわち、超高分解能観察や高精度加工が可能という効果を奏する。
【０１３０】
以上、本実施例では、本発明によると、ガス電界電離イオン源を備えた荷電粒子線装置において、イオン照射系がコンパクトになり、イオン光学長が短くなり、それによりエミッタティップと試料と相対振動の振幅が小さくなり、高分解能の試料観察が可能にあるという効果を奏する。また、かつエミッタティップからのイオンの放出方向を精度よく試料の方向に調整でき、それによりガス電界電離イオン源の性能を最大限活かした荷電粒子線装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１３１】
また、本発明によると、ガス電界電離イオン源を備えた荷電粒子線装置において、イオンビームが安定するという効果を奏する。
【０１３２】
図１１を参照して、本発明による一例で、エミッタまたはエミッタに接続されたフィラメントから放出または反射される光を該引き出し電極の開口部を通して検出する手段を備える荷電粒子線装置を説明する。本装置では、針状のエミッタティップ２１、エミッタティップ２１に対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源１、イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ５、集束レンズ５を通過したイオンビームを制限する可動のアパーチャ６、アパーチャを通過したイオンビームを偏向する偏向器７、該偏向器を通過したイオンビームを試料９上に集束する対物レンズ８、およびイオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器１１などによって構成される。ここで、エミッタティップ２１は、イオン源からイオンビームを引き出す方向に対して、ほぼ垂直平面内で移動できる平面移動機構７１と、エミッタティップ先端を傾斜軸として、エミッタティップをイオンビーム照射軸に対して傾斜できる傾斜機構６１を備える。また、試料ステージ１０はイオンビームに対して垂直平面内で移動機能７１を持つ。また、試料ステージ上１０にはプリズム、光ファイバまたは反射鏡７２などの光路変更手段が取り付けられている。イオンビーム照射軸方向からの光を略垂直方向に反射する。また、試料室真空容器には光を通過させるビューポート７３を備える。
【０１３３】
本例の制御装置は、ガス電界電離イオン源１を制御する電界電離イオン源制御装置９１、エミッタティップ位置移動機構を制御するティップ位置移動制御装置１９７、エミッタティップ傾斜移動機構を制御するティップ傾斜移動制御装置１９６、集束レンズ５および対物レンズを制御するレンズ制御装置９３、可動アパーチャ６を制御するアパーチャ制御装置９４、偏向器を制御する偏向器制御装置９５、二次粒子検出器１１を制御する二次電子検出器制御装置９６、試料ステージ１０を制御する試料ステージ制御装置９７、試料室真空排気用ポンプ１３を制御する真空排気用ポンプ制御装置９８、及び、演算装置を含む計算処理装置９９を有する。計算処理装置９９は画像表示部を備える。画像表示部は、二次粒子検出器１１の検出信号から生成された画像、及び、入力手段によって入力した情報を表示する。
【０１３４】
まず、本発明による一例で、エミッタティップまたはエミッタティップに接続されたフィラメントから放出または反射される光により、エミッタティップとイオン引き出し電極開口部との軸合わせする荷電粒子線装置を説明する。
【０１３５】
ガス電界電離イオン源で、エミッタティップ２１に接続されたフィラメント２２に電圧を印加して、フィラメントを加熱し光を放出させる。すると、引き出し電極の開口部２７からは、フィラメントおよびエミッタティップから放出または反射された光が射出されることになる。この光の進路を、試料ステージ１０上のプリズム、光ファイバまたは反射鏡７２などの光路変更手段で垂直方向に変え、これを試料室真空容器に取り付けられたビューポートを通して検出する。例えば光学カメラ７４で観察する。このようにすれば、図１２のように引き出し電極の開口部２７の影と、フィラメント２２およびフィラメントに取り付けられたエミッタティップ２１を観察することができることになる。すなわち、エミッタティップ２１と引き出し電極の開口部２７との相対位置を把握することができる。そして、この画像を観察しながらエミッタティップを引き出し電極の開口部の中心に移動させる。あるいは、この画像情報を計算処理装置９９で解析して、エミッタティップ位置移動制御装置１９７により、エミッタティップを引き出し電極の開口部の中心に移動させる。これで、エミッタティップと引き出し電極の開口部の軸合わせ調整が可能となる。これにより、引き出し電極の開口部でのイオンビーム軌道の乱れが少なくなり、イオンビームを極微細に集束できる、すなわち超高分解能の観察あるいは高精度の加工が可能になるという効果を奏する。
【０１３６】
次に、試料観察する際には、イオンビーム照射軸に対してほぼ垂直平面内で、試料ステージを移動させることにより、イオンビーム照射領域に対象試料９を配置すれば良い。なお、本実施例では、試料ステージ１０上にプリズム、光ファイバまたは反射鏡などの光路変更手段を配置させた例を説明したが、可動アパーチャ６上にプリズム、光ファイバまたは反射鏡７２を配置しても良い。すなわち、エミッタティップとイオン引き出し電極開口部との軸合わせ時には、可動アパーチャ６を移動させて、イオンビーム照射軸上にプリズム、光ファイバまたは反射鏡７２などの光路変更手段を配置する。これにより照射系カラム真空容器に取り付けられたビューポート７３を通して、エミッタティップまたはエミッタティップに接続されたフィラメントから放出または反射される光を検出すれば良い。例えば光学カメラ７４で観察する。この場合には、試料ステージに配置する場合に比べて、エミッタティップに近く観察できるため、より高精度の軸合わせ調整が可能になるという効果を奏する。そして、エミッタティップと引き出し電極の開口部の軸合わせ調整終了時は可動アパーチャを移動させて、アパーチャ開口部をイオンビーム照射軸に合わせて、イオンビームを通過させて、試料観察すれば良い。
【０１３７】
さらに、可動シャッタを集束レンズ５と、対物レンズ８間に設け、この可動シャッタ上にプリズム、光ファイバまたは反射鏡などの光路変更手段を配置しても良い。すなわち、エミッタティップとイオン引き出し電極開口部との軸合わせ時には、可動シャッタを移動させて、イオンビーム照射軸上にプリズム、光ファイバまたは反射鏡などの光路変更手段を配置する。これにより照射系カラム真空容器に取り付けられたビューポートを通して、エミッタティップまたはエミッタティップに接続されたフィラメントから放出または反射される光を検出すれば良い。
【０１３８】
そして、エミッタティップと引き出し電極の開口部の軸合わせ調整終了時は可動シャッタ６を移動させて、シャッタをイオンビーム照射軸１４Ａから除去して、イオンビームを通過させて、試料観察すれば良い。この場合には、エミッタティップと集束レンズ間、あるいは対物レンズと試料間に可動シャッタを配置する場合に比べ、レンズ収差を少なくイオン光学系を構成でき、イオンビームを極微細に集束できる、すなわち超高分解能の観察あるいは高精度の加工が可能になるという効果を奏する。
【０１３９】
また、以上の実施例では、プリズム、光ファイバまたは反射鏡などの光路変更手段を用いて、エミッタティップに接続されたフィラメントから放出または反射される光を真空容器外に導きこれを検出する例を説明したが、光検出デバイス７５を真空容器内に配置して、光検出デバイスからの信号情報を真空容器外に伝達しても良い。例えば、試料ステージ上、可動アパーチャ上に光検出デバイスすれば良い。あるいは、集束レンズ５と、対物レンズ８間に可動のシャッタを設け、この上に光検出デバイスすれば良い。
【０１４０】
また、以上の実施例では、本装置構成において、エミッタティップまたはエミッタティップに接続されたフィラメントから放出または反射される光を、エミッタティップと引き出し電極の開口部の軸合わせ調整に利用する例について説明したが、これをエミッタティップの温度制御に利用しても良い。すなわち、エミッタティップまたはエミッタティップに接続されたフィラメントから放出または反射される光を引き出し電極の該開口部を通して検出した信号を用いて、フィラメントに印加する電圧、電流、抵抗、温度のうち少なくとも一つを制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置とする。
【０１４１】
ガス電界電離イオン源のエミッタティップでは、表面汚染除去やエミッタティップ先端結晶条件制御、ナノピラミッド形成制御のため高温アニール処理をする。この温度を高精度に制御することが、エミッタティップからのイオンビーム安定化あるいは、エミッタティップの長寿命化には必要であることが、本願発明者は見出した。特に、エミッタティップ極低温冷却時は、周囲温度に影響されて、エミッタティップに接続されたフィラメント電力を一定に保つなどの制御のみでは十分な温度管理が困難であることを見出した。このため、温度計測が有効であるが、エミッタティップには高電圧を印加するため、接触させた温度計測は困難である。また、ガス電界電離イオン源では、エミッタティップ周辺のガス圧力を高めるため、エミッタティップは引き出し電極開口部などを除いて、できるだけ密閉する構造が望ましく、エミッタティップからの放出される光を利用した非接触温度計測も困難であった。このため、本発明では、エミッタまたはエミッタに接続されたフィラメントから放出または反射される光を該引き出し電極の開口部を通して検出する手段を備える荷電粒子線装置とした。すなわち、光を検出した信号を用いて、フィラメントに印加する電圧、電流、抵抗、温度のうち少なくとも一つを制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置とした。このようにすると、極低温冷却時においても、高精度の温度制御が可能になり、エミッタティップの高温処理において高精度温度制御が実現され、エミッタティップからのイオンビーム安定化あるいは、エミッタティップの長寿命化が実現されて、かつ、イオンビームの大電流化なども同時に実現される。ひいてはガス電界電離イオン源の信頼性および性能が向上するという効果を奏する。
【０１４２】
また、エミッタティップ高精度温度制御という課題に対しては、エミッタまたはエミッタに接続されたフィラメントから放出または反射される光の検出手段７６をイオンエミッタ周辺にガスを溜めるイオン化室１５内に配置して、検出情報を真空容器外に伝達する手段を備えた荷電粒子線装置とすることによりも解決される。この場合には、エミッタに近く配置できるため、より高精度の温度計測が可能になるという効果を奏するが、高電圧が印加されるエミッタ周囲に配置するため、放電などを防ぐ機構を設けるためにコストが高くなるという問題を有する。
【０１４３】
以上の実施例では、本発明によると、ガス電界電離イオン源を備えた荷電粒子線装置において、イオン照射系の軸調整という観点で、エミッタティップと引き出し電極の開口部との軸合わせ調整が可能で、イオンビームを細束化する際の収差を低減して超微細ビームを実現できるという効果を奏する。
【０１４４】
また、本発明によると、ガス電界電離イオン源を備えた荷電粒子線装置において、エミッタティップ極低温冷却時においても、高精度の温度制御が可能になり、エミッタティップの高温処理において高精度温度制御が実現され、エミッタティップからのイオンビーム安定化あるいは、エミッタティップの長寿命化が実現されて、かつ、イオンビームの大電流化なども同時に実現される。ひいてはガス電界電離イオン源の信頼性および性能が向上するという効果を奏する。
【０１４５】
なお、不測の放電現象などによりナノピラミッドが損傷した場合は、エミッタティップを約３０分間加熱（１０００℃程度）する。それにより、ナノピラミッドを再生することが可能である。すなわち、容易にエミッタティップを修復することができる。そのため、実用的なイオン顕微鏡を実現することができる。
【０１４６】
なお、対物レンズ８の先端と試料９の表面までの距離は仕事距離と称される。本イオンビーム装置では仕事距離が２ｍｍ未満にすると、分解能は０．５ｎｍ未満となり、超分解能が実現する。従来は、ガリウムなどのイオンが用いられていたため試料からのスパッタ粒子が対物レンズを汚染して、正常動作を妨げる懸念があった。本発明によるイオン顕微鏡ではこの懸念が少なく超高分解能を実現できた。
【０１４７】
なお、本実施例では、冷却機構４について冷凍機を応用した例を説明したが、冷却タンクを備え、液体窒素や液体ヘリウムなどの寒剤を用いた冷却機構でも良い。特に、冷却タンクに、液体窒素を導入した後に、真空排気口を介して、冷却タンク内を真空排気する。それによって、液体窒素は凝固させ固体窒素とする。固体窒素を用いる場合には、液体窒素の沸騰に起因する振動は生じない。すなわち冷却機構は機械的振動を発生させない。そのため、高分解能観察が可能となるという効果を奏する。
【０１４８】
本例では、ガス分子イオン化室１５を開閉する開閉バルブが取り付けられている。開閉バルブは、蓋部材３４を有する。図１２Ａは、蓋部材３４が開けられた状態を示し、図１３Ｂは、蓋部材３４が閉じられた状態を示す。
【０１４９】
本例のガス電界電離イオン源の動作を説明する。先ず、図１２Ａに示すように、ガス分子イオン化室１５の蓋部材３４を開けた状態で、粗排気を行う。ガス分子イオン化室１５の蓋部材３４が開いているため、短時間で、ガス分子イオン化室１５内の粗排気が完了する。    
本例によれば、ガス分子イオン化室１５に蓋部材３４を設けることにより、引き出し電極の孔の寸法を小さくしても、真空粗引き時のコンダクタンスを増大化することが可能である。また、引き出し電極の孔の寸法を小さくすることにより、ガス分子イオン化室１５の密閉化が可能となる。そのため、ガス分子イオン化室１５内の高真空化が可能となり、大電流のイオンビームが得られる。
【０１５０】
また、エミッタティップ２１先端の原子ピラミッド状態を制御、あるいは再生処理のための高温処理時には、図１２Ａに示すように、ガス分子イオン化室１５の蓋部材３４を開けた状態にする。このようにすると、高温処理時にガス分子イオン化室１５内が超高真空化でき、原子ピラミッド状態を制御、あるいは再生処理の信頼性が向上することを本願発明者は見出した。すなわち、フィラメント２２へ電圧印加時に真空粗引き時のコンダクタンスを増大化することにより、エミッタティップの長寿命化が実現するという効果を奏する。
【０１５１】
また、第１アパーチャを通過したイオンビームを第１偏向器にて走査し、走査された該イオンビームを第２アパーチャで制限し、該イオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を荷電粒子検出器にて検出し、その検出器信号を用いた走査画像によりナノティップの電界イオン顕微鏡パターンを観察することを特徴とした走査電界イオン顕微鏡観察方法とすることにより、イオン放射パターンを観察できる。
【０１５２】
また、イオン源から放出されたイオンを集束レンズにて集束し、該集束レンズを通過したイオンビームを第１アパーチャで制限し、該第１アパーチャを通過したイオンビームを第２偏向器で走査し、走査される該イオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を荷電粒子検出器にて検出し、その検出器信号を用いた走査画像により試料を顕微鏡観察することを特徴とした走査イオン顕微鏡観察方法とすることで顕微鏡をコンパクトにすることができる。
【０１５３】
また、真空容器と、該真空容器内に針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動のアパーチャ、該アパーチャを通過したイオンビームを偏向する偏向器、該偏向器を通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、および該イオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を検出する荷電粒子検出器、から構成される走査荷電粒子顕微鏡において該可動アパーチャ位置をイオンビーム照射軸に対して該垂直平面内で移動する手段を有し、該可動アパーチャの位置の違いによる試料から放出される二次粒子強度を記録してイオンエミッタからのイオン放射パターンを観察可能とすることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることによって、イオン放射パターンを観察可能とすることができる。
【０１５４】
また、エミッタまたは該エミッタに接続されたフィラメントから放出または反射される光を該引き出し電極の該開口部を通して検出する手段を、該真空容器内に備えることを特徴とする荷電粒子顕微鏡エミッタ又はフィラメントの温度を観測することができる。
【０１５５】
また、真空容器と、該真空容器内に針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを加速・集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動のアパーチャ、該アパーチャを通過したイオンビームを二段偏向する偏向器、該偏向器を通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、試料を搭載する試料ステージ、および該イオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を検出する荷電粒子検出器、などを含む荷電粒子顕微鏡において該エミッタまたは該エミッタに接続されたフィラメントから放出または反射される光を検出する手段が、イオンエミッタ周辺にガスを溜めるイオン化室内に配置され、該検出情報を真空容器外に伝達する手段を備えることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることによって、エミッタの温度を計測することができる。
【０１５６】
また、イオン源から放出されたイオンがヘリウムイオンもしくは水素イオンであることを特徴とした荷電粒子顕微鏡とする。
【０１５７】
次に，電子ビームを試料に照射する荷電粒子顕微鏡について説明する。本荷電粒子顕微鏡では、真空容器と、該真空容器内に針状の電子エミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、電子が通過する開口部を有する引き出し電極を含む電子源、該電子源から放出された電子を集束する集束レンズ、該集束レンズを通過した電子ビームを制限する可動な第１アパーチャ、該第１アパーチャを通過した電子ビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器該第１アパーチャを通過した電子ビームを偏向する第２偏向器、該第１アパーチャを通過した電子ビームを制限する第２アパーチャ、該第１アパーチャを通過した電子ビームを試料上に集束する対物レンズ、および該第２アパーチャを通過した該電子ビーム電流に略比例した信号量を計測する手段、から構成される荷電粒子顕微鏡とする。これにより，電子ビームを試料に照射して得られる走査電子顕微鏡像を得られる。
【０１５８】
また。電子エミッタから電子を引き出す際には，図１２Ａに示すように，ガス分子イオン化室１５の蓋部材３４を開けた状態にする。このようにすると，電子ビーム使用時にガス分子イオン化室１５内が超高真空化でき，電子ビームを安定化させる，および電子エミッタの破壊を防ぐことができることを本願発明者は見出した。
【０１５９】
さらに，本実施例の荷電粒子顕微鏡においては，電子エミッタとなるエミッタティップからイオンビームを引き出すことができる。これは，電子ビームを引き出す際には，エミッタティップに負の高電圧を印加し，イオンビームを引き出す際には，エミッタティップに正の高電圧を印加することによって実現する。特に，電子ビームを試料に照射する際には，試料から放出されるX線またはオージェ電子を検出する。それによって，試料の元素分析が容易となる。さらに，このとき1nm以下の分解能のイオン像と元素分析像を並べ，又は，重ねて表示してよい。それにより，試料表面を好適にキャラクラリゼーションできる。
【０１６０】
また，このときには，電子ビームを集束するための対物レンズに磁場型レンズと静電レンズを組み合せた複合型レンズを用いると電子ビームを大電流でかつ微細なビーム径に集束できて，高空間分解能で高感度な元素分析が可能になる。
【０１６１】
また，アルゴン，クリプトン，キセノンなどの比較的重い元素を試料に照射して，試料を加工して，次に，ヘリウム，ネオンなどの比較的軽い元素を試料に照射して試料の最も表面の観察をする。次に，電子ビームを試料に照射して，試料を透過した電子を検出して試料内部の観察をすることもできる。透過電子を検出する際に，電子ビームを走査して，走査透過電子顕微鏡像を得る場合と，電子ビームを走査せず，透過電子を結像して検出する透過電子顕微鏡像を得る場合がある。結像する場合には，電子の結像光学系を備える。
【０１６２】
また、上述の走査荷電粒子線顕微鏡では、イオンビームをイオンビーム走査電極により走査させることにより走査イオン像を得る。しかしながら、この場合、イオンビームがイオンレンズを通過するときにイオンビームが傾斜するためイオンビームが歪む。そのため、ビーム径が小さくならないという問題があった。そこで、イオンビームを走査させる代わりに、試料ステージを機械的に直交２方向に走査移動させてもよい。この場合、試料から放出される二次粒子を検出し、これを輝度変調することにより、計算処理装置の画像表示手段上に走査イオン像を得ることができる。すなわち、試料表面の０．５ｎｍ未満の高分解能観察を実現する。この場合、イオンビームを対物レンズに対して常に同じ方向に保持することができるため、イオンビームの歪を比較的に小さくすることができる。
【０１６３】
これは、例えば、第１及び第２のステージを組み合わせた試料ステージを用いて実現可能である。第１のステージは、数センチメートルの移動が可能な４軸可動ステージであり、例えば、平面の垂直２方向（Ｘ、Ｙ方向）の移動、高さ方向（Ｚ方向）の移動、及び傾斜（Ｔ方向）が可能である。第２のステージは、数マイクロメートルの移動が可能な２軸可動ステージであり、例えば、平面の垂直２方向（Ｘ、Ｙ方向）に移動が可能である。
【０１６４】
例えば電気モータ駆動の第１のステージの上に、圧電素子駆動による第２のステージを配置することによって構成される。試料の観察位置の探索などの場合には、第１のステージを用いて試料を移動させ、高分解能観察の場合には、第２のステージを用いて微動を行う。これにより、超高分解能観察が可能なイオン顕微鏡が提供される。
【０１６５】
以上、本発明の荷電粒子線装置の例として走査イオン顕微鏡を説明した。しかしながら、本発明の荷電粒子線装置は、走査イオン顕微鏡ばかりでなく、透過イオン顕微鏡、イオンビーム加工機にも適用可能である。
【０１６６】
次に、電界電離イオン源を真空排気する真空ポンプ１２について説明する。真空ポンプ１２としては、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組合せ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組合せ、又は、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組合せによって構成するのが好適である。また、サブリメーションポンプでもよい。すなわち，ガス分子の吸着現象を利用し，機械的な運動を伴わない真空ポンプを用いるのが好適である。このようなポンプを用いることによって、真空ポンプ１２の振動による影響を低減することができ、高分解能観察が可能となることが判った。なお、真空ポンプ１２として、ターボ分子ポンプを用いる時は、イオンビームによる試料観察時にターボ分子ポンプの振動が観察の妨げになることがあることがわかった。ただし、イオンビーム装置のいずれかの真空容器に、ターボ分子ポンプが装着されていたとしても、イオンビームによる試料観察時にターボ分子ポンプを停止させておけば高分解能観察が可能であることがわかった。すなわち、本発明では、イオンビームによる試料観察時の主たる真空排気ポンプを、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組合せ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組合せ、又は、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組合せによって構成するが、ターボ分子ポンプを装着した構成としても本発明の目的を妨げるものではない。
【０１６７】
非蒸発ゲッタポンプは、加熱による活性化でガス吸着する合金を用いて構成された真空ポンプである。電界電離イオン源のイオン化ガスとしてヘリウム用いる場合には、ヘリウムが真空容器内に比較的大量に存在する。しかしながら、非蒸発ゲッタポンプはヘリウムをほとんど排気しない。即ち、ゲッタ表面が吸着ガス分子で飽和することがない。そのため、非蒸発ゲッタポンプの動作時間は十分長い。これはヘリウムイオン顕微鏡と非蒸発ゲッタポンプを組み合わせた場合の利点である。また、真空容器中の不純物ガスが減少することによりイオン放射電流が安定するという効果も奏する。
【０１６８】
非蒸発ゲッタポンプは大きな排気速度でヘリウム以外の残留ガスを排気するが、これだけではヘリウムがイオン源に停留する。そのため、真空度が不十分となり、電界電離イオン源が正常に動作しない。そこで不活性ガスの排気速度が大きいイオンポンプまたはノーブルポンプを非蒸発ゲッタポンプと組み合わせて用いる。イオンポンプまたはノーブルポンプのみでは、排気速度が不十分である。こうして本発明によると、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプ又はノーブルポンプを組合せることにより、コンパクトで低コストの真空ポンプ１２を得ることができる。なお、真空ポンプ１２として、チタンなどの金属を加熱蒸発させて金属膜でガス分子を吸着して真空排気するゲッタポンプあるいはチタンサブリメーションポンプを組合せたものを用いてもよい。すなわち，ガス分子の吸着現象を利用し，機械的な運動を伴わない真空ポンプを用いるのが好適である。
【０１６９】
従来の技術では、機械振動への配慮が足らずイオン顕微鏡の性能が十分には得られなかったが、本発明により、機械振動の低減が実現し高分解能観察が可能なガス電界電離イオン源およびイオン顕微鏡が提供される。
【０１７０】
次に、試料室３を真空排気するための試料室真空排気用ポンプ１３について説明する。試料室真空排気用ポンプ１３として、ゲッタポンプ、チタンサブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプ、イオンポンプ、ノーブルポンプ、エクセルポンプ等を用いてよい。このようなポンプを用いることによって、試料室真空排気用ポンプ１３の振動による影響を低減することができ、高分解能観察が可能となることが判った。すなわち、ガス分子の吸着現象を利用し、機械的な運動を伴わない真空ポンプを用いるのが好適である。
【０１７１】
なお、試料室真空排気用ポンプ１３として、ターボ分子ポンプを用いる場合があるが、しかしながら、装置の振動軽減構造を実現するのにはコストが要する。また、試料室に、ターボ分子ポンプが装着されていたとしても、イオンビームによる試料観察時にターボ分子ポンプを停止させておけば高分解能観察が可能であることがわかった。すなわち、本発明では、イオンビームによる試料観察時の試料室の主たる真空排気ポンプを、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組合せ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組合せ、又は、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組合せによって構成する。ただし、装置構成として、ターボ分子ポンプを装着して、大気からの真空粗引きに用いたとしても、本発明の目的を妨げるものではない。
【０１７２】
走査電子顕微鏡では、ターボ分子ポンプを用いて０．５ｎｍ以下の分解能を比較的容易に実現できる。しかし、ガス電界電離イオン源を用いるイオン顕微鏡では、イオン光源から試料までのイオンビームの縮小率が比較的大きく、１から０．５程度である。それによって、イオン源の特性を最大限に活かすことができる。しかしながら、イオンエミッタの振動はほとんど縮小されずに試料上に再現されるため、従来の走査電子顕微鏡などの振動対策に比べても慎重な対策が必要になるのである。
【０１７３】
従来技術では、試料室真空排気ポンプの振動が試料ステージに影響を与えることは考慮されていたが、試料室真空排気ポンプの振動がイオンエミッタにまで影響を与えることは考慮されていなかった。そこで、本願発明者は、試料室真空排気ポンプの振動がイオンエミッタに深刻な影響を与えることに見出した。本願発明者は、試料室真空排気用ポンプとして、ゲッタポンプ、チタンサブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプ、イオンポンプ、ノーブルポンプ、エクセルポンプ等の非振動型の真空ポンプを主ポンプとして用いることがよいと考えた。それによって、イオンエミッタの振動が低減し、高分解能観察が可能となるのである。なお，ガス分子の吸着現象を利用し，機械的な運動を伴わない真空ポンプであればよく，真空ポンプの名称に限定されない。
【０１７４】
また、本実施例で用いた冷凍機のガスの圧縮機ユニット（コンプレッサ）、あるいはヘリウムを循環させる圧縮機ユニット（コンプレッサ）は騒音の音源となる可能性がある。騒音は、イオン顕微鏡を振動させることもある。そこで、本実施例によると、ガスの圧縮機ユニット（コンプレッサ）にカバーを設けて、ガスの圧縮機ユニットが発生する騒音が外部に伝わるのを防止する。尚、カバーの代わりに、音の遮蔽板を設けてもよい。また、圧縮機ユニット（コンプレッサ）を別室に設置してもよい。それによって、音に起因する振動を低減し、高分解能観察が可能となる。
【０１７５】
また、ガス分子イオン化室内に、非蒸発ゲッタ材料を配置してもよい。それによって、ガス分子イオン化室内が高真空化し、高安定なイオン放出が可能となる。また、非蒸発ゲッタ材料あるいは水素吸蔵合金に水素を吸着させ、それを加熱する。それによって放出された水素をイオン化ガスとして用いれば、ガス供給配管２５からガスを供給する必要がなく、コンパクトで安全なガス供給機構を実現できる。
【０１７６】
また、非蒸発ゲッタ材料をガス供給配管２５内に配置してもよい。ガス供給配管２５を経由して供給するガスの中に不純物ガスは、非蒸発ゲッタ材料によって減少する。そのため、イオン放出電流が安定する。
【０１７７】
なお、本発明ではガス供給配管２５を経由してガス分子イオン化室１５に供給するイオン化ガスとしてヘリウム、水素を用いる。しかしながら、イオン化ガスとして、ネオン、酸素、アルゴン、クリプトン、キセノン等を用いてもよい。特に、ネオン、酸素、アルゴン、クリプトン、キセノン等を用いた場合には、試料を加工する装置、あるいは試料を分析する装置が提供されるという効果を奏する。
【０１７８】
また、試料室３内に質量分析計を設けてもよい。質量分析計によって、試料から放出される二次イオンの質量分析を行う。また，質量分析計は，磁場型質量分析計，四重極質量分析計，飛行時間型質量分析計のいずれであっても良い。
【０１７９】
あるいは，試料で散乱されるイオンのエネルギを分析するイオン散乱分光分析によって試料元素を分析しても良い。特に扇形エネルギ分析器，あるいは飛行時間型エネルギ分析器を用いる場合には，試料に正の高電圧を印加できるようにすると元素分析が好適にできるという効果を奏する。
【０１８０】
あるいは、試料から放出されるオージェ電子をエネルギ分析してもよい。それによって、試料の元素分析が容易になり、イオン顕微鏡による試料観察および元素分析が１台の装置で可能となる。
【０１８１】
また、従来のイオンビーム装置では外部磁場の擾乱については考慮されていなかったが、イオンビーム０．５ｎｍ未満に集束する場合には、磁気をシールドすると効果があることを突き止めた。このため電界電離イオン源およびイオンビーム照射系、および試料室の真空容器を純鉄もしくはパーマロイで作製することにより超高分解能を達成でききる。また、真空容器中に、磁気シールドとなる板を挿入しても良い。
また、本願の発明者は、イオンビームの加速電圧を５０ｋＶ以上にして半導体試料上の構造寸法を計測すると精度よく計測できることを見出した。これはイオンビームによる試料のスパッタイールドが低下するため、試料の構造を破壊する程度が低くなり、寸法計測精度が向上することによる。特に、イオン化ガスとして、水素を用いるとスパッタイールドが低下し、寸法計測の精度が向上する。ただし，ヘリウムや水素は，検査試料の内部に侵入して試料内部の原子位置を変える現象に注意が必要である。これは，表面の構造寸法計測精度には大きな影響はないが，デバイスの電気特性に影響を与えることを見出した。従来のイオンビームを用いた試料検査装置では，この点では考慮されてなかった。本願発明者は，デバイス特性に影響が比較的少ない深さにイオンが侵入するようにイオンビームの加速で試料を検査することが問題を解決することを見出した。また，試料表面に膜を積み重ねるデバイスの場合，イオンの侵入する深さを膜厚に合わせてイオンビーム照射電圧を制御することが問題を解決する。すなわち，少なくとも２種類の照射電圧でイオンビームを試料に照射することができるイオンビーム検査装置とすることで問題を解決することができる。
【０１８２】
また，特に，イオンビームの試料への侵入分布を考慮すると１００ｋＶ以上にすると，表面での損傷が無く，かつ，イオンビームが試料内部で深さ方向に広く分布するため，試料内部の特性に影響がなく，かつ表面寸法の測定，試料表面の欠陥検査，汚染評価あるいは付着物検査などが良好に行えることがわかった。
【０１８３】
また，加速電圧を正の３０ｋＶ以上に設定して，試料に負の２０ｋＶにして，イオンビームの照射エネルギを５０ｋＶ以上とすると，すなわち，試料に負の電圧を印加できる構造とすると，イオン源の加速電圧を比較低電圧にしても，エネルギを大きくすることができる。低温・超高真空にするためイオン源の構造は複雑になるが，加速電圧を比較低電圧にすることにより，イオン源構造を簡略することができるという効果を奏する。また，この目的を達成するためには少なくとも５ｋＶ以上の高電圧を印加できると好適である。
【０１８４】
実施例に示したイオンビーム装置によると，デバイス製造途中の試料をイオンビームで計測および検査した試料をデバイス製造に戻すことが可能であることを見出した。また、以上の実施例によると，デバイス製造，特に半導体デバイス製造のコストを低減するという効果を奏する。
【０１８５】
以上、実施例によれば、イオンビームにより試料上の構造寸法を計測するのに好適な解析装置、イオンビームを用いた測長装置または検査装置が提供される。
【０１８６】
また、本発明によれば、従来の電子ビームを用いた計測に比べると、得られる画像の焦点深度が深いため精度の良い計測ができる。また、特にイオン化ガスとして、水素を用いると、試料表面を削る量が少なく精度の良い計測ができる。
【０１８７】
本発明によると、試料をイオンビームにより加工して断面を形成して、断面を電子顕微鏡で観察する装置に代わりに、イオンビームにより加工して断面を形成して、断面をイオン顕微鏡で観察する装置、及び、断面観察方法を提供することができる。
【０１８８】
本発明によると、イオン顕微鏡による試料観察、電子顕微鏡による試料観察、及び、元素分析が１台の装置で可能な装置、欠陥や異物などを観察及び解析する解析装置、及び、検査装置を提供することができる。
【０１８９】
イオン顕微鏡は超高分解能の観察を実現する。しかしながら、従来、イオンビーム装置を半導体試料の製造プロセスにおける構造寸法の計測装置あるいは検査装置として用いた時に、イオンビーム照射を、電子ビーム照射として比較して、半導体試料の表面の破壊の製造への影響を考察した例はない。例えば、イオンビームのエネルギを１ｋｅＶ未満にすると、試料が変質する割合が少なく、イオンビームのエネルギを２０ｋｅＶとする場合と比較すると、寸法計測の精度が向上する。この場合に装置のコストも小さくなるという効果を奏する。なお、逆に加速電圧が５０ｋＶ以上の場合には、加速電圧が低い場合と比較すると観察分解能を小さくできる。
【０１９０】
また、本願の発明者は、イオンビームの加速電圧を２００ｋＶ以上にして、さらにビーム径を０．２ｎｍ以下に細束化して試料に照射して、試料からラザフォード後方散乱されるイオンをエネルギ分析すると、試料元素の平面および深さを含めた３次元構造が原子単位で計測できることを見出した。従来のラザフォード後方散乱装置ではイオンビーム径が大きく原子オーダでの３次元計測は困難であったが、本発明を適用することによって実現できる。また、イオンビームの加速電圧を５００ｋＶ以上にして、さらにビーム径を０．２ｎｍ以下に細束化して試料に照射して、試料から放出されるＸ線のエネルギ分析をすると試料元素の２次元分析が可能になる。
【０１９１】
本実施例によると、以下のガス電界電離イオン源、イオンビーム装置、走査荷電粒子線顕微鏡、荷電粒子線装置が開示される。
（１）真空容器と、該真空容器内に、針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動な第１アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを偏向する第２偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを制限する第２アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、および該第２アパーチャを通過した該イオンビーム電流に略比例した信号量を計測する手段、
から構成される走査荷電粒子顕微鏡において、
第２アパーチャ位置において、エミッタティップの先端原子１個周辺から放出されたイオンビームの面積、あるいはその直径が、第２アパーチャの開口部の面積、あるいはその直径に比べて、少なくとも同じか大きくなるような条件を満足するように、集束レンズに電圧を印加してイオン放射パターンを得ることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（２）上記（１）記載の走査荷電粒子顕微鏡において、
集束レンズの電圧条件が、第２アパーチャの開口部へのイオンビーム集束条件に対して、少なくともアンダーフォーカス条件となることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（３）真空容器と、該真空容器内に、針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動な第１アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを偏向する第２偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを制限する第２アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、および該第２アパーチャを通過した該イオンビーム電流に略比例した信号量を計測する手段、
から構成される走査荷電粒子顕微鏡において、
イオン放射パターン取得時に第１アパーチャの開口部の面積が、第２アパーチャの開口部の面積に比べ大であることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（４）真空容器と、該真空容器内に、針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動な第１アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを偏向する第２偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを制限する第２アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、および該第２アパーチャを通過した該イオンビーム電流に略比例した信号量を計測する手段、
から構成される走査荷電粒子顕微鏡において、
イオン放射パターン取得時の第１アパーチャの開口部の面積を、試料上のイオンビームを大きくとも１０ｎｍ以下に細束化する際の第１アパーチャの開口部の面積に比べて大きくすることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（５）真空容器と、該真空容器内に、針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動な第１アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを偏向する第２偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを制限する第２アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、および該第２アパーチャを通過した該イオンビーム電流に略比例した信号量を計測する手段、
から構成される走査荷電粒子顕微鏡において、
第２アパーチャ位置における第１偏向器によるイオンビーム走査面積が、第２アパーチャ開口部面積の少なくとも４倍以上にしたことを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（６）真空容器と、該真空容器内に、針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動な第１アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを偏向する第２偏向器、該第１アパーチャを通過したイオンビームを制限する第２アパーチャ、該第１アパーチャを通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、および該第２アパーチャを通過した該イオンビーム電流に略比例した信号量を計測する手段、から構成される走査荷電粒子顕微鏡において、
集束レンズ下端から第１アパーチャまでの間隔を、第１偏向器の長さに比べて短くしたことを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（７）真空容器と、該真空容器内に針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動のアパーチャ、該アパーチャを通過したイオンビームを偏向する偏向器、該偏向器を通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、および
該イオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を検出する荷電粒子検出器、から構成される走査荷電粒子顕微鏡において、
該イオンエミッタのイオンビーム照射軸に対する傾斜角度を機械的に変更できる該イオンエミッタ傾斜手段を有し、イオンエミッタ角度の違いによる試料から放出される二次粒子強度を記録してイオンエミッタからのイオン放射パターンを観察可能とし、
可動アパーチャ位置において、エミッタティップの先端原子１個周辺から放出されたイオンビームの面積、あるいはその直径が、可動アパーチャの開口部の面積、あるいはその直径に比べて、少なくとも同じか大きくなるような条件を満足するように、集束レンズに電圧を印加することを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。 
（８）上記（７）記載の走査荷電粒子顕微鏡において
集束レンズの電圧条件が、可動アパーチャの開口部へのイオンビーム集束条件に対して、少なくともアンダーフォーカス条件となることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（９）真空容器と、該真空容器内に針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動のアパーチャ、該アパーチャを通過したイオンビームを偏向する偏向器、該偏向器を通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、および該イオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を検出する荷電粒子検出器、から構成される走査荷電粒子顕微鏡において、
該イオンエミッタのイオンビーム照射軸に対する傾斜角度を機械的に変更できる該イオンエミッタ傾斜手段を有し、イオンエミッタ角度の違いによる試料から放出される二次粒子強度を記録してイオンエミッタからのイオン放射パターンを観察可能とし、
集束レンズ下端から可動アパーチャまでの間隔を、偏向器の長さに比べて短くしたことを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（１０）真空容器と、該真空容器内に針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、該イオン源から放出されたイオンを集束する集束レンズ、該集束レンズを通過したイオンビームを制限する可動のアパーチャ、該アパーチャを通過したイオンビームを偏向する偏向器、該偏向器を通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ、および該イオンビームの照射によって試料から放出される二次粒子を検出する荷電粒子検出器、から構成される走査荷電粒子顕微鏡において、
該偏向器と該対物レンズ間に固定アパーチャを配置して、該イオンエミッタのイオンビーム照射軸に対する傾斜角度を機械的に変更できる該イオンエミッタ傾斜手段を有し、イオンエミッタ角度の違いによる試料から放出される二次粒子強度を記録してイオンエミッタからのイオン放射パターンを観察可能としたことを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（１１）上記（１）から（１０）記載の走査荷電粒子顕微鏡において
針状のイオンエミッタ先端が原子ピラピッドによって構成されるナノティップであって、先端原子数が４から１５個であることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（１２）上記（１）から（１１）記載の走査荷電粒子顕微鏡であって、
イオンエミッタを冷却する冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、前記寒冷発生手段の寒冷でステージを冷却する冷凍機であることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（１３）上記（１）から（１１）記載の走査荷電粒子顕微鏡であって、
イオンエミッタを冷却する冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、前記寒冷発生手段の寒冷で冷却したガスで被冷却体を冷却する冷却手段であることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（１４）上記（１）から（１１）記載の走査荷電粒子顕微鏡であって、
イオンエミッタを冷却する冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、前記寒冷発生手段の寒冷で冷却した第２の高圧ガスで被冷却体を冷却する冷却手段であることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（１５）上記（１２）から（１３）記載の走査荷電粒子顕微鏡であって、
前記冷凍機と前記真空容器との間の防振機構が、ヘリウムあるいはネオンガスで振動の伝達を妨げる機構を少なくとも含むことを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
（１６）真空容器と、該真空容器内に針状のイオンエミッタ、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部を有する引き出し電極を含むガス電界電離イオン源、であって、
ガス分子イオン化室を真空排気するコンダクタンスを可変とする機構が、真空容器外部で操作可能なバルブであり、イオン化室の壁構造体と機械的に切り離し可能であることを特徴とするガス電界電離イオン源。
（１７）真空容器と，該真空容器内に針状のイオンエミッタ，前記エミッタティップに対向して設けられ，イオンが通過する開口部を有する引き出し電極，イオンエミッタを概略囲むガス分子イオン化室を含み，かつ，イオンエミッタに負の高電圧を印加することにより電子ビームを引き出すガス電界電離イオン源および電子源を含む荷電粒子線装置において，ガス分子イオン化室が真空排気コンダクタクンスを変える開閉可能な開口部を有し，電子ビームを引き出す際にはと，真空排気コンダクタクンスを変える開閉可能な開口部が開状態であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【０１９２】
（１８）上記（１７）記載の荷電粒子線装置において，電子ビームを集束するための対物レンズに磁場型レンズと静電レンズを組み合せた複合型レンズを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【０１９３】
（１９）上記（１７）記載の荷電粒子線装置を用いて，アルゴン，クリプトン，キセノンなどの比較的重い元素を試料に照射して，試料を加工して，ヘリウム，ネオンなどの比較的軽い元素を試料に照射して試料の最も表面の観察をして，電子ビームを試料に照射して，試料を透過した電子を検出して試料内部の観察をすることを特徴とする試料観察方法。  さらに、上記（１７）記載の荷電粒子線装置において，試料を透過した電子を結像して検出する結像光学系を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
（２０）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、エミッタティップに負の高電圧を印加して、エミッタティップから電子を引き出して試料に照射して試料から放出されるＸ線またはオージェ電子を検出して元素分析が可能であり、１ｎｍ以下の分解能の走査イオン像と元素分析像を並べるあるいは重ねて表示すれることができるイオンビーム装置。
（２１）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出して試料表面の構造寸法を計測するイオンビーム検査装置による検査を含むデバイス製造において、
イオンビームの加速電圧を５０ｋＶ以上にしてデバイス試料上を検査し、検査した試料をデバイス製造に戻すことを特徴とするデバイス製造方法。
（２２）真空容器と，真空排気機構と，前記真空容器内に，針状の陽極となるエミッタティップと，陰極となる引き出し電極，前記エミッタティップの冷却機構などから構成され，前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し，前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と，前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと，試料を内蔵する試料室と，試料から放出される二次粒子を検出して試料表面の構造寸法を計測するイオンビーム検査装置において，少なくとも２種類の照射電圧でイオンビームを試料に照射することができることを特徴とするイオンビーム検査装置。
（２３）真空容器と，真空排気機構と，前記真空容器内に，針状の陽極となるエミッタティップと，陰極となる引き出し電極，前記エミッタティップの冷却機構などから構成され，前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し，前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と，前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと，試料を内蔵する試料室と，試料から放出される二次粒子を検出して試料表面の構造寸法を計測するイオンビーム検査装置において，
イオンビームのエネルギを１００ｋｅＶ以上にすることを特徴とするイオンビーム検査装置。
（２４）上記（２１）から（２３）記載の荷電粒子線装置で，試料に負の電圧を印加できることを特徴とする荷電粒子線装置。
（２５）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置を用いた試料元素分析方法において、イオンビームの加速電圧を２００ｋＶ以上にして、さらにビーム径を０．２ｎｍ以下に細束化して試料に照射して、試料からラザフォード後方散乱されるイオンをエネルギ分析して、試料元素の平面および深さを含めた３次元構造を原子単位で計測する元素分析方法。
（２６）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置を用いた試料元素分析方法において、５００ｋＶ以上にして、さらにビーム径を０．２ｎｍ以下に細束化して試料に照射して、試料から放出されるＸ線のエネルギ分析をして２次元元素分析する元素分析方法。
（２７）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、エミッタティップを５０Ｋ以下に冷却して、エミッタティップから放出されるイオンを試料上に投影する倍率を０．２よりも小さくして、さらに、エミッタティップと試料の相対位置の振動を０．１ｎｍ以下することにより、走査イオン像分解能を０．２ｎｍ以下としたたことを特徴とするイオンビーム装置。
（２８）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、
該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、
前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、
試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、
前記ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、
を有し、
前記冷却機構は、圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却し、圧縮機ユニットで循環する第２の移動する冷媒であるヘリウムガスで被冷却体を冷却する冷却機構であることを特徴とするイオンビーム装置。
（２９）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、
該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、
前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、
試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、
前記ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、
前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室を支持するベースプレートと、を有しているイオンビーム装置において、
電界電離イオン源およびイオンビーム照射系、および試料室のいずれかの真空容器の主な材料が鉄もしくはパーマロイであり、走査イオン像の分解能が０．５ｎｍ以下であることを特徴とするイオンビーム装置。
【符号の説明】
【０１９４】
１…ガス電界電離イオン源、２…イオンビーム照射系カラム、３…試料室、４…冷却機構、５…集束レンズ、６…可動アパーチャ、７…偏向器、８…対物レンズ、９…試料、１０…試料ステージ、１１…二次粒子検出器、１２…イオン源真空排気用ポンプ、１３…試料室真空排気用ポンプ、１４…イオンビーム、１４Ａ…光軸、１５…ガス分子イオン化室、１６…コンプレッサ、１７…装置架台、１８…ベースプレート、１９…防振機構、２０…床、２１…エミッタティップ、２２…フィラメント、２３…フィラメントマウント、２４…引き出し電極、２５…ガス供給配管、２６…支持棒、２７…開口部、２８…側壁、２９…天板、３０…抵抗加熱器、３４…蓋部材、３５…第１偏向器、３６…第２アパーチャ、４０…冷凍機、４０Ａ…中心軸線、４１…本体、４２Ａ、４２Ｂ…ステージ、４３…ポット、４６…ヘリウムガス、５３…冷却伝導棒、５４…銅網線、５７…冷却伝導管、６１…傾斜機構、６２…絶縁材、６３…絶縁材、６４…エミッタベースマウント、６５…中心軸線、６６…鉛直線、６８…真空容器、７０…平面移動機構、７２…反射鏡、７３…ビューポート、７４…光学カメラ、７５…光検出デバイス、７６…光の検出手段、９１…電界電離イオン源制御装置、９２…冷凍機制御装置、９３…レンズ制御装置、９４…第一アパーチャ制御装置、９５…イオンビーム走査制御装置、９６…二次電子検出器制御装置、９７…試料ステージ制御装置、９８…真空排気用ポンプ制御装置、９９…計算処理装置、 1６１、１６２…ベローズ、１９５…第一偏向器制御装置、１９６…傾斜機構制御装置
【図１】
2011055521.tif 000003
【図２】
2011055521.tif 000004
【図３】
2011055521.tif 000005
【図４】
2011055521.tif 000006
【図５】
2011055521.tif 000007
【図６Ａ】
2011055521.tif 000008
【図６Ｂ】
2011055521.tif 000009
【図７Ａ】
2011055521.tif 000010
【図７Ｂ】
2011055521.tif 000011
【図８Ａ】
2011055521.tif 000012
【図８Ｂ】
2011055521.tif 000013
【図９】
2011055521.tif 000014
【図１０】
2011055521.tif 000015
【図１１】
2011055521.tif 000016
【図１２Ａ】
2011055521.tif 000017
【図１２Ｂ】
2011055521.tif 000018
【図１３】
2011055521.tif 000019
【国際調査報告】
2011055521.tif 000020
2011055521.tif 000021
2011055521.tif 000022
2011055521.tif 000023
2011055521.tif 000024
2011055521.tif 000025
2011055521.tif 000026
2011055521.tif 000027